초당 3천 프레임 영상촬영, 시스템의 핵심은 세슘 증기로 만들어진 광 트랜스포머. 테라헤르츠 범위의 고속기록은 생의학 또는 제품 테스트에서 새로운 이미징 가능성을 열 수 있다.

고속의 테라헤르츠
연구원들이 처음으로 초당 최대 3천 프레임의 테라헤르츠 비디오를 제작하고 있다.

테라헤르츠파를 기반으로 고속 비디오를 생성할 수 있는 시스템이 처음으로 개발됐다.
테라헤르츠 영상은 초당 최대 3천 프레임의 속도까지 달성할 수 있고 이를 통해 낙하 및 기타 빠른 프로세스도 감지할 수 있다. 이것은 장파 테라헤르츠 파를 가시광으로 변환시키는 여기된 세슘원자 층에 의해 가능해진다.

▲ 떨어지는 물방울의 고속 기록은 테라 헤르츠파로 이루어졌다. © L.A. Downes et al./Phys. Rev.X

적외선과 마이크로파 사이의 테라헤르츠파는 종이, 직물 또는 플라스틱과 같은 많은 일반적인 물질을 파괴하지 않고 침투할 수 있다. 따라서 Terahertz 스캐너는 보안 검사뿐만 아니라 재료 테스트, 닫힌 책을 보거나 심지어 나무에서 딱정벌레를 찾는 데에도 사용된다.
테라헤르츠파는 또한 무선 데이터 전송을 위한 매체 또는 가속기로서 사용될 수 있다.

Terahertz 이미지를 위한 더 빠른 속도

테라헤르츠 스캐너는 지금까지 한 가지 큰 단점이 있었다.
단지 스틸 이미지만 생성 할 수 있다. 동영상에서 일반 시스템은 저해상도에서도 최대 60Hz의 프레임 속도만 달성 가능하다. 이는 고해상도 비디오 이미지나 고속 녹화에는 충분하지 않다. 그 이유는 무엇보다도 현재의 카메라 기술용으로는 파장이 너무 길고 강도가 약하기 때문이다.

더럼 대학교 (Durham University)의 루시 다운스(Lucy Downes)와 그의 동료들은 “큰 수요에도 불구하고 여전히 고속과 감도를 결합한 테라헤르츠 비디오 시스템은 없다”고 말했다.
그들이 이 문제에 대한 해결책을 개발했기 때문에 이제 상황이 변했다.
“테라헤르츠-광자를 가시광선 범위의 광자로 변환하고 일반적인 고속 카메라 기술을 사용할 수 있다.”라고 설명한다.

변환기로서의 세슘 원자

새로운 시스템의 핵심은 세슘 증기로 만들어진 광 트랜스포머다.

그것에서 세슘 원자의 층 모양 구름이 레이저에 의해 여기돼 리드베르(Rydberg) 원자가 된다. 이들에서, 외부 전자는 특히 핵과는 거리가 멀다. 하이라이트는 이 Rydberg 원자는 테라헤르츠파에 매우 민감하다.
이 파장의 광자가 테라헤르츠파에 부딪치면 녹색 빛을 방출하여 에너지 상태를 변경한다.

이것이 바로 테라헤르츠 비디오의 빠른 기록을 가능케 하는 것이다. 스캐너로 생성된 테라헤르츠 기록은 세슘층에 의해 녹색으로 녹화된 기록으로 변환된다. 그런 다음 연구원들이 설명하는 것처럼 일반적인 고속 필름 카메라로 이러한 이미지를 기록할 수 있다.
원자 트랜스포머는 크기가 1㎤에 불과하지만 여전히 픽셀 당 40㎛(마이크로 미터)의 해상도를 갖는다.

떨어지는 방울과 회전 바퀴

첫 번째 테스트에서 다운스(Downes)와 그의 팀은 이 시스템을 사용해 초당 최대 3천 프레임의 속도로 테라헤르츠 비디오를 녹화했다. 고속 이미지는 무엇보다도 분당 700회전으로 회전하는 바퀴의 살과 테라헤르츠 조명에서 떨어지는 물방울을 보여준다.
연구원에 따르면, 시스템 최적화는 앞으로 초당 최대 백만 프레임의 속도를 달성 할 수 있다고한다.

"우리 시스템은 다른 방법으로 는 달성할 수 없었던 프레임 속도로 동적 프로세스의 테라헤르츠 촬영을 가능하게 한다."라고 Downes와 그의 동료들은 말했다. 테라 헤르츠 범위의 고속 기록은 생의학 또는 제품 테스트에서 새로운 이미징 가능성을 열 수 있다.

리버풀 대학 (University of Liverpool)의 생물물리학자인 피터 웨이트먼(Peter Weightman)도 이와 비슷한 견해를 가지고 있다. 이것은 광범위한 분야에서 사용하기에 엄청난 잠재력을 가지고 있다.

Physical Review X, 2020; doi : 10.1103 / PhysRevX.10.011027)
출처 : American Physical Society (APS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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