Teknologi Terahertz, Penuh dengan Harapan dan Tantangan

Rekan-rekan yg berkecimpung di bidang mikrowave dan spectroscopy. Berikut catatan ringan riset di bidang mikrowave.

Salah satu riset yang cukup banyak menarik perhatian saat ini adalah dengan kata kunci terahertz (THz) baik sumber radiasinya, detektor, antenna, spectroscopy, imaging dan lain-lain. Sumber radiasi THz ini adalah salah satu kandidat untuk menggantikan sebagian fungsi sinar-X untuk imaging. Frekuensinya berada antara 300 GHz sampai 3 THz atau panjang gelombang antara 0.1 mm sampai 1 mm. Kelebihan sumber radiasi ini dibanding sinar-X adalah berenergi rendah tak mengionisasi obyeknya (jauh lebih aman dari sinar-X), radiasinya dapat difokuskan tak seperti sinar-X sehingga mudah dikontrol, frekuensinya berimpitan dengan frekuensi spektrum dari molekul-molekul penting sehingga sangat potensial bagi spectroscopy dan pendeteksian molekul-molekul.

Dengan sifat-sifat tersebut banyak aplikasi menjanjikan terutama dalam bidang keamanan. Radiasi THz mampu menembus jaket atau pakaian penutup tubuh tapi tak menembus jaringan seperti sinar-X. Dengan demikian menjadi sumber paling ideal untuk mendeteksi benda-benda tersembunyi seperti di balik baju bahkan cairan kimia berbahaya dapat dideteksi dari kandungan molekul spesifiknya. Di bidang kedokteran, gelombang ini potensial untuk menentukan lokasi kanker dari jaringan pada tubuh manusia secara langsung tanpa merusak jaringannya, juga potensial untuk terapi jika sumbernya cukup kuat. Juga dapat digunakan untuk menemukan obyek hidup dalam suatu kejadian kebakaran. Dalam bidang komunikasi juga terutama antar satelit menjanjikan transfer data berlipat-lipat dari capaian saat ini (super-broadband).


Dalam banyak kasus presentasi riset-riset untuk mengembangkan sumber THz tersebut biasanya aplikasi keamanan paling agresif dengan menggunakan suatu objek sebagai simbol gangguan keamanan dengan berbagai triknya yang dapat dideteksi dengan alat screening menggunakan sumber radiasi THz yang disiramkan pada obyek tersebut.
Active ImageActive Image

Agresifitas penelitian di bidang ini muncul karena memang wilayah THz ini menjadi semacam gap yang belum banyak dijangkau oleh sumber gelombang yang dibuat manusia. THz berada pada gap antara frekuensi dalam cakupan sumber gelombang berbasis elektronik (electronics) dan Fotonik (photonic). Electronics mencakup solid state (seperti Gunn, IMPATT, MMIC dll) dan vacuum electronics (klystron, BWO, TWT, gyrotron, magnetron dll) sedangkan fotonik mencakup laser dan segala jenis variannya. Sumber-sumber yang tersedia saat ini baik dari kelas elektronik maupun dari photonic masih dengan keluaran pada level mikrowatt.

Ketaktersediaan sumber THz tersebut juga menyebabkan aplikasi yang terekspos pada frekuensi ini juga belum banyak. Eksperimen-ekperimen menjadi tak jalan karena ketiadaan sumber radiasinya yang “man made” yang dapat dikontrol dari parameter-parameter operasionalnya seperti voltase, arus, intensitas medan magnet, suhu, dan lain-lain. Ketaktersediaan sumber membuat penelitian ini menjadi lebih dinamis dan juga gelontoran dana terutama negara-negara maju yang menempatkan keamanan individu warganya sebagai prioritas utama. Bahkan riset-riset ambisius seperti akselerator dengan sumber radiasinya berupa Synchrotron seperti SPRING-8 Jepang yang sumber radiasinya membentang dengan bundaran hampir lebih kurang 100 meter atau Thomas Jefferson National Accelerator Facility USA, juga agresif menggunakan sebagian elektron terakselerasinya untuk menghasilkan radiasi THz.

Yang jadi pertanyaan apakah jika mereka berhasil dan misalnya menggunakan sumber tersebut untuk membuat alat scan cargo misalnya untuk mendeteksi cairan/zat kimia berbahaya atau senjata dalam cargo, lalu dapat digunakan secara ekonomis? Apakah setiap bandara harus membangun akselerator dulu? Tentu saja, bagaimanapun juga, ini adalah langkah awal untuk memahami prinsip imaging dengan sumber THz “man made”. Tahap komersial masih cukup jauh, tapi paling tidak ada sumber radiasi yang dapat digunakan untuk membuat sistem yang handal sambil menunggu tersedianya sumber radiasi THz dari teknik lain yang lebih kecil, ringan, murah, dan mobile.

Dalam prosesnya, sumber-sumber radiasi berbasis elektronik mencoba mendekati rentang 0.3- 3 THz dari area frekuensi rendah (kiri), sedangkan sumber laser mencoba mendekati areal tsb dari frekuensi tinggi ratusan terahertz. Peneliti-peneliti laser berusaha merendahkan frekuensinya mendekati gap THz tersebut. Kedua-duanya mempunyai masalah-masalah tersendiri. Pada sumber radiasi tipe electronic dari kelas vacuum electronic, kesulitan utamanya bahwa ukuran cavity sebagai media interaksi antara elektron dan gelombang terahertznya sebanding dengan panjang gelombanya. Gelombang THz mengambil energi dari kehilangan energi kinetik elektron dalam cavity dalam apa yang disebut bunching process/mechanism. Sebagai ilustrasi untuk frekuensi 1 THz membutuhkan ruang kira-kira 0.1 mm untuk melewatkan arus elektron di dalamnya. Hal ini membutuhkan teknologi khusus dengan akurasi sangat tinggi untuk proses pabrikasinya. Juga bagaimana menjamin agar arus elektron dapat melewati celah tersebut tanpa merusak celah tersebut. Penggunaan arus yang cukup besar dapat merusak celah tersebut, hal ini merupakan kondisi yang menyebabkan begitu sulit menghasilkan level keluaran dalam orde watt bahkan miliwatt saat ini. Kondisi ini terjadi pada Klystron dan juga BWO (backward wave oscillator). Pengecualian tipe ini adalah pada gyrotron dimana ukuran cavity bisa jauh lebih besar daripada panjang gelombangnya sehingga dapat menghasilkan keluaran sampai watt bahkan kilowatt untuk frekuensi sampai 1 THz tapi ukurannya sangat besar karena frekuensinya berbanding lurus dengan medan magnet yang diperlukan. Nah semakin besar intensitas magnet, membutuhkan pendingin gas cair seperti nitrogen dan helium lebih banyak. Juga membutuhkan bahan khusus untuk lilitan magnetnya, sehingga jauh lebih mahal. Tapi gyrotron tetap penting karena dalam riset-riset tertentu ukuran alat tidaklah menjadi penting, yang paling penting adalah stabilitas alat (frekuensi dan keluaran) dan power yang lebih besar dalam orde watt atau lebih.

Untuk tipe sumber elektronik dari kelas solid state, masalah utamanya adalah juga ukurannya media interaksinya menjadi sangat kecil sehingga menimbulkan panas begitu arus mengalir antara kutub-kutubnya (katoda dan anoda). Sehingga membutuhkan perhatian tertentu pada metode pendinginan alat. Ini kendala terbesar mereka sehingga sumber dari kelas solid state jauh-jauh lebih kecil keluarannya. Oleh karena problem panas tersebut ukuran pendingin bisa berlipat-lipat jauh lebih besar daripada ukuran sumber gelombangnya. Nah pada tipe photonic, kecilnya keluaran disebabkan oleh serapan media dimana pulsa laser dilewatkan untuk menghasilkan pulsa THz.

Secara garis besar riset bidang THz ini dibagi tiga bagian yaitu sumber, komponen (mencakup detektor, antenna, filter, dll), dan applikasi. Profesor bidang ini tentu saja cukup banyak dengan fokus bermacam-macam. Yang paling banyak tentu saja aplikasinya seperti THz TDS (terahertz time domain spectroscopy).

Salah satu profesor yang giat dalam THz berbasis laser adalah Prof. Kodo Kawase dari RIKEN dan Tohoku University. Dia sudah membuat sumber THz (frequency tunable) 0.7-3 THz seperti yang sudah dimiliki oleh UCSB (University of California Santa Barbara) amerika. Saya sendiri lebih banyak berhubungan dengan sumber THz berbasis Gyrotron dari kelas vacuum electronic tube, membaca artikel-artikel lain dari kelas fotonik sebagai pesaing untuk dapat memposisikan riset pada hal yang tak dapat dicapai oleh THz berbasis laser. THz berbasis laser memang cukup atraktif karena ukuran sistemnya secara keseluruhan sudah cukup kompak (compact), tapi kelemahannya adalah keluarannya (output power) dalam orde mikrowatt sampai miliwatt.

Untuk spektroskopi keluaran dalam orde mikrowatt sudah cukup, tapi untuk aplikasi lain misalnya pemrosesan bahan keluaran dalam orde puluhan watt sampai kilowatt sangat penting. Di sinilah riset di grup kami di Research Center for Development of Far Infrared Region, University of Fukui (FIR-FU) coba ditempatkan. Kelebihan prosesing dengan THz adalah produknya kecil, tipis, padat. Kecenderungan teknologi masa depan justru arahnya ke sana.

Banyak masalah yang harus diatasi untuk dapat mewujudkan suatu alat pemrosesan bahan yang dapat beroperasi dengan mudah untuk suatu keperluan tertentu misalnya material sintering, melting, joining dll. Angan-angan periset bidang ini, adalah suatu saat industri-industri untuk pemrosesan bahan yang menggunakan panas sebagai tool-nya dapat digantikan sebagiannya dengan high power microwave termasuk di dalamnya dalam rentang frekuensi THz. Universitas dan industri masih harus banyak berkomunikasi dalam menyelesaikan masalah2 yang dihadapi berhubungan dengan stability, easy use, cheap, powerful, compact, saving time, saving energy dll. Banyak hal yang dapat dielaborasi termasuk institusi riset kita untuk berperan di dalamnya.

Active ImageActive Image

Begitu pentingnya riset ini sehingga mulai tahun 2004 sampai sekarang dua konferensi internasional di bawah dua organisasi berbeda yaitu IRMMW-2004 (Infrared and Millimeter Wave Conference) dan 2004 THz Conference digabung menjadi satu dalam Joint Conference disingkat IRMMW-THz untuk memudahkan koordinasi antara pembuat sumber dan pemakainya. Dengan mengunjungi situs konferensi tersebut profesor-profesor Jepang bidang ini dapat dipantau sebagiannya untuk informasi studi.

Bagi mereka yang tertarik ambil bagian dalam riset Teknologi THz ini dapat memperdalam hal yang berhubungan dengan bidangnya saat ini. Apakah mau bergelut di sumber, detektor, atau antena.

La Agusu
Vacuum electronics tube specialist

Research Center for Development of Far Infrared Region

University of Fukui (FIR Center FU)

sumber: http://www.pmij.org/index.php/content/view/329/1/

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s