Onderzoekers van TU Delft, SRON en LongWave Photonics LLC hebben een lichtgewicht terahertz-spectrometer gemaakt ter grootte van een centimeter. Huidige spectrometers zijn ongeveer een halve meter groot en veel zwaarder. Gewicht en afmeting spelen een grote rol omdat terahertzstraling alleen vanuit de ruimte meetbaar is. Publicatie in Laser & Photonics Reviews.
De terahertzfrequentie is onmisbaar om de geschiedenis van het heelal te ontrafelen. Dit soort straling geeft inzicht in hoe sterrenstelsels, sterren en planeten vormen en evolueren. Helaas absorbeert de aardatmosfeer terahertzsignalen, waardoor grondtelescopen onbruikbaar zijn. Voor ruimtevaarttoepassingen moeten spectrometers licht en klein zijn, wat niet triviaal is vanwege de complexiteit van het meten van terahertzstraling.
Een team van TU Delft, SRON en LongWave Photonics demonstreert nu een nieuw concept voor een terahertzspectrometer ter grootte van 1,1 centimeter. Dat is significant kleiner en lichter dan de traditionele spectrometers die gebruik maken van een tralie. De nieuwe spectrometer gebruikt een metasurface—een oppervlak met een specifiek patroon dat het inkomende licht zowel focusseert als uiteenrafelt in verschillende kleuren.
De spectrometer opereert in het frequentiegebied tussen 1,85 en 2,4 terahertz en haalt een spectrale resolutie van 270, wat zijn vermogen laat zien om kleine details te onderscheiden in het signaal dat hij opvangt. Omdat dit de eerste experimentele demonstratie is, is verdere optimalisatie nodig om de spectrale resolutie te halen van de conventionele spectrometers met tralie.
Schematische weergave van de compacte metasurface terahertz spectrometer. Een inkomende lichtstraal wordt afgebogen door het metasuface (groen vlak), waardoor verschillende kleuren op de juiste plekken op het focusseervlak (witte pijl) komen. Daar zijn de detectoren geplaatst.
Researchers at TU Delft, SRON and LongWave Photonics LLC have created a centimeter-sized, lightweight terahertz spectrometer. Current spectrometers are half a meter in size and much heavier. Weight and size play a large role since terahertz radiation is only detectable from space. Publication in Laser & Photonics Reviews.
The terahertz frequency range is crucial for unraveling the mysteries of the Universe’s history, providing insights into how galaxies and stars form and evolve, as well as how planets develop. However, Earth’s atmosphere absorbs terahertz signals, preventing observations from the ground. For space applications, spectrometers need to be lightweight and small, which is not trivial because of the complexity of detecting terahertz radiation.
To address these challenges, the team from TU Delft, SRON, and LongWave Photonics has demonstrated a new concept for a centimeter-sized (1.1 cm) terahertz spectrometer, significantly reducing the size and weight compared to traditional spectrometers that use a grating. The new spectrometer employs a metasurface—a specially patterned surface that both focuses the incoming light and spreads it in different colors.
The spectrometer operates in the 1.85 to 2.4 terahertz range and has demonstrated a spectral resolution of 270, reflecting its capability to distinguish fine details in the signals it captures. As this is the first experimental demonstration, further optimisation is required to match the spectral resolution as expected from grating spectrometers.
Schematic of the compact metasurface terahertz spectrometer. A teraherz wave incident from space enters the metasurface (green square). Light of different wavelengths is deflected and focused at different positions on the focusing plane (white arrow), where detectors are positioned.