Onzichtbare en onschadelijke terahertzstraling maakt dingen zichtbaar die met gewoon licht verborgen blijven. Deze week promoveert natuurkundige ir. Nick van der Valk op een nieuwe techniek die de weg vrijmaakt voor een terahertzmicroscoop.
Tot voor kort kon alleen Superman dwars door je kleren heen kijken. Dat kan hij door terahertzgolven uit zijn ogen te stralen. Dit onzichtbare licht schijnt namelijk moeiteloos door allerlei materialen die normaal geen licht doorlaten, zoals textiel, plastics en papier. Het kan bovendien verschillende materialen duidelijk onderscheiden.
Deze veelbelovende en onschadelijke straling is alleen lastig te beteugelen. Met een frequentie van rond de duizend gigahertz, oftewel tien tot de twaalfde hertz, zit de straling tussen het infrarood en microstralen. De komst van nieuwe lasersystemen maakt het sinds enkele jaren mogelijk om het ongebruikte terahertzgat in het lichtspectrum te ontginnen.
Wat Superman kan, kan daarom nu iedereen. De eerste terahertzscanners halen op sommige Amerikaanse vliegvelden op het lichaam verstopte wapens boven water. En uitsmijters zouden natuurlijk maar wat graag sommige dames bij het betreden van een club door een ‘terahertzpoortje’ laten lopen. Maar ook voor wetenschappelijk onderzoek zijn veel terahertztoepassingen denkbaar. Een terahertzmicroscoop zou stoffen kunnen laten zien die je met een normale lichtmicroscoop niet kunt zien.
Terahertzlicht heeft echter een belangrijk nadeel: de beeldkwaliteit. Door de golven van tienden millimeters, zo’n duizend maal langer dan die van zichtbaar licht, is de kleinst haalbare resolutie met terahertzlicht ongeveer een tiende millimeter. Veel te groot dus om cellen mee te bekijken onder een microscoop.
Verstoringen
Promovendus Nick van der Valk van de onderzoeksgroep optica (TNW) bedacht daarvoor een truc. Met een vlijmscherp koperen naaldje wist hij de resolutie te verhogen en zo de weg vrij te maken voor een terahertzmicroscoop.
“Ik laat een geconcentreerde terahertzstraal op het scherpe metalen puntje vallen”, legt Van der Valk uit. “Omdat de terahertzstraling niet door het metaal kan, ontstaan er rond het puntje allerlei verstoringen in het elektrische veld. De straling moet daar als het ware omheen stromen.” De verstoring vormt een gebiedje dat veel kleiner is dan de golflengte en dat functioneert als een minuscule stralingsbron. De grootte van het verstoorde gebiedje hangt af van hoe scherp het metalen puntje is en niet meer van de golflengte.
“Met deze techniek omzeil ik de limiet van de grote golflengte”, zegt Van der Valk. “In mijn proefopstelling heb ik een resolutie bereikt van zeven micrometer, een factor honderd kleiner dan de golflengte van de terahertzstraling.” Met een scherper puntje aan het metaaldraad kan volgens hem de resolutie van de toekomstige microscoop verder verkleind worden tot resoluties in de orde van tientallen nanometers.
Vlak onder het metalen puntje zit een plakje kristal waar van onderaf een laserstraal op schijnt om de verstoring van het elektrische veld te meten. Het te meten monstermateriaal ligt op het kristal. Afhankelijk van de soort moleculen in het monster wordt de terahertzstraling meer of minder geabsorbeerd. Door het materiaalmonster met regelmaat heen en weer te bewegen wordt een groter gebied gescand.
Met zijn detectiemethode kan Van der Valk niet alleen de sterkte van de straling meten maar ook de trillingsrichting. “Dat geeft extra informatie over het gescande materiaal, en daardoor kun je meer materialen onderscheiden.” Zo kwam hij erachter dat bijvoorbeeld piepschuim, dat voor terahertzstraling onzichtbaar is, wel degelijk invloed heeft op de trillingsrichting van de golven.
Met zijn terahertzmicroscoop ziet Van der Valk vooral mogelijkheden in de biologie. “We kunnen aantonen hoeveel moleculen van een bepaalde stof aanwezig zijn. Maar je kunt er bijvoorbeeld ook de concentratie waterdamp in een gasmengsel mee meten. Of verschillende vormen van DNA van elkaar onderscheiden.”
Met terahertzstraling is het mogelijk om door materialen heen te kijken die normaal geen licht doorlaten. Zo laat de bovenste scan door het luciferdoosje heen zien hoe de lucifers in het doosjes liggen. De onderste scan verklapt de verrassing in een surprise-ei door de chocolade heen. (Illustraties: dr. Paul Planken, TNW)
Tot voor kort kon alleen Superman dwars door je kleren heen kijken. Dat kan hij door terahertzgolven uit zijn ogen te stralen. Dit onzichtbare licht schijnt namelijk moeiteloos door allerlei materialen die normaal geen licht doorlaten, zoals textiel, plastics en papier. Het kan bovendien verschillende materialen duidelijk onderscheiden.
Deze veelbelovende en onschadelijke straling is alleen lastig te beteugelen. Met een frequentie van rond de duizend gigahertz, oftewel tien tot de twaalfde hertz, zit de straling tussen het infrarood en microstralen. De komst van nieuwe lasersystemen maakt het sinds enkele jaren mogelijk om het ongebruikte terahertzgat in het lichtspectrum te ontginnen.
Wat Superman kan, kan daarom nu iedereen. De eerste terahertzscanners halen op sommige Amerikaanse vliegvelden op het lichaam verstopte wapens boven water. En uitsmijters zouden natuurlijk maar wat graag sommige dames bij het betreden van een club door een ‘terahertzpoortje’ laten lopen. Maar ook voor wetenschappelijk onderzoek zijn veel terahertztoepassingen denkbaar. Een terahertzmicroscoop zou stoffen kunnen laten zien die je met een normale lichtmicroscoop niet kunt zien.
Terahertzlicht heeft echter een belangrijk nadeel: de beeldkwaliteit. Door de golven van tienden millimeters, zo’n duizend maal langer dan die van zichtbaar licht, is de kleinst haalbare resolutie met terahertzlicht ongeveer een tiende millimeter. Veel te groot dus om cellen mee te bekijken onder een microscoop.
Verstoringen
Promovendus Nick van der Valk van de onderzoeksgroep optica (TNW) bedacht daarvoor een truc. Met een vlijmscherp koperen naaldje wist hij de resolutie te verhogen en zo de weg vrij te maken voor een terahertzmicroscoop.
“Ik laat een geconcentreerde terahertzstraal op het scherpe metalen puntje vallen”, legt Van der Valk uit. “Omdat de terahertzstraling niet door het metaal kan, ontstaan er rond het puntje allerlei verstoringen in het elektrische veld. De straling moet daar als het ware omheen stromen.” De verstoring vormt een gebiedje dat veel kleiner is dan de golflengte en dat functioneert als een minuscule stralingsbron. De grootte van het verstoorde gebiedje hangt af van hoe scherp het metalen puntje is en niet meer van de golflengte.
“Met deze techniek omzeil ik de limiet van de grote golflengte”, zegt Van der Valk. “In mijn proefopstelling heb ik een resolutie bereikt van zeven micrometer, een factor honderd kleiner dan de golflengte van de terahertzstraling.” Met een scherper puntje aan het metaaldraad kan volgens hem de resolutie van de toekomstige microscoop verder verkleind worden tot resoluties in de orde van tientallen nanometers.
Vlak onder het metalen puntje zit een plakje kristal waar van onderaf een laserstraal op schijnt om de verstoring van het elektrische veld te meten. Het te meten monstermateriaal ligt op het kristal. Afhankelijk van de soort moleculen in het monster wordt de terahertzstraling meer of minder geabsorbeerd. Door het materiaalmonster met regelmaat heen en weer te bewegen wordt een groter gebied gescand.
Met zijn detectiemethode kan Van der Valk niet alleen de sterkte van de straling meten maar ook de trillingsrichting. “Dat geeft extra informatie over het gescande materiaal, en daardoor kun je meer materialen onderscheiden.” Zo kwam hij erachter dat bijvoorbeeld piepschuim, dat voor terahertzstraling onzichtbaar is, wel degelijk invloed heeft op de trillingsrichting van de golven.
Met zijn terahertzmicroscoop ziet Van der Valk vooral mogelijkheden in de biologie. “We kunnen aantonen hoeveel moleculen van een bepaalde stof aanwezig zijn. Maar je kunt er bijvoorbeeld ook de concentratie waterdamp in een gasmengsel mee meten. Of verschillende vormen van DNA van elkaar onderscheiden.”
Met terahertzstraling is het mogelijk om door materialen heen te kijken die normaal geen licht doorlaten. Zo laat de bovenste scan door het luciferdoosje heen zien hoe de lucifers in het doosjes liggen. De onderste scan verklapt de verrassing in een surprise-ei door de chocolade heen. (Illustraties: dr. Paul Planken, TNW)
Comments are closed.