Las ondas de terahercios ocupan un nicho entre las microondas y la luz infrarroja. Penetran la ropa y el plástico, pero no ionizan los tejidos, por lo que se están probando para inspección de seguridad y diagnóstico médico. La espectroscopía de terahercios en el dominio temporal clásica mide la forma de un pulso corto reflejado por el objeto. Sin embargo, cualquier desplazamiento del objeto retrasa el pulso en el tiempo, y este se sale de la ventana de observación. Los métodos rápidos existentes, como el muestreo óptico asíncrono, escanean todo el rango temporal, lo cual es lento y no permite seguir al objetivo. El trabajo de los investigadores japoneses llena este vacío, ofreciendo un sistema que mantiene la ventana sobre el pulso en movimiento.
La base del montaje son dos láseres de terahercios con peine de frecuencias programable. Las frecuencias de sus pulsos están rígidamente sincronizadas, pero un láser se puede desfasar para desplazar la ventana temporal. En lugar de escanear todo el rango, el sistema oscila rápidamente el retardo en una ventana estrecha de 61 picosegundos de ancho, obteniendo hasta 154 mediciones completas por segundo. La posición del pico del pulso de terahercios dentro de la ventana se mide en tiempo real. Si el pico se desplaza debido al movimiento de la muestra, la retroalimentación corrige la fase del segundo láser, devolviendo el pico al centro de la ventana. Este enfoque permitió rastrear un espejo que se movía a una velocidad de 4 centímetros por segundo a lo largo de 12 centímetros.
El sistema mantuvo el pico de terahercios dentro de una ventana de 61 picosegundos de ancho mientras el objetivo se desplazaba 12 centímetros, lo que equivale a 26 veces el ancho de la ventana. La precisión en la determinación de la posición del pico fue de 10 femtosegundos por medición, y al promediar durante 0.44 segundos mejoró a 1.5 femtosegundos, lo que corresponde a un desplazamiento de 225 nanómetros. La velocidad máxima de seguimiento se estimó en 10.8 centímetros por segundo. En un experimento modelo con un espejo de oro sobre un vibrador, se lograron recuperar vibraciones con amplitudes de 2.1 milímetros (simulando la respiración) y 0.21 milímetros (simulando los latidos del corazón), en presencia de un movimiento lineal de hasta 10 centímetros. Las frecuencias de 0.25 y 1.2 hercios se determinaron a partir del espectro de la señal recuperada.
Este trabajo se distingue de las investigaciones vecinas: los colegas desarrollan la espectroscopía de terahercios para objetos estáticos o procesos lentos, mientras que aquí se implementa por primera vez el seguimiento activo de un objetivo en movimiento con retroalimentación. No se trata solo de acelerar las mediciones, sino de un cambio de paradigma: la ventana de observación se vuelve móvil. Este enfoque podría trasladarse a otros métodos de espectroscopía de tiempo de vuelo, donde el movimiento de la muestra se consideraba una interferencia insuperable.
El siguiente paso es aumentar la velocidad de seguimiento optimizando los parámetros de retroalimentación y reduciendo el retardo en el bucle. También es prometedora la extensión al escaneo bidimensional, para seguir un objeto que se mueve en el plano. En una perspectiva más lejana, el sistema podría combinarse con algoritmos de aprendizaje automático para extraer automáticamente la respiración y los latidos del corazón a partir del movimiento corporal complejo.
El método podría ser útil en la monitorización sin contacto de signos vitales, por ejemplo, para observar a pacientes en unidades de cuidados intensivos. En la industria, serviría para controlar el grosor de recubrimientos o la calidad de productos en una línea de montaje, donde la distancia al sensor varía.
Los investigadores planean aumentar la velocidad de seguimiento reduciendo el retardo en el bucle de retroalimentación. También pretenden probar el sistema en tejidos biológicos reales, no solo en un espejo de oro.
En la espectroscopía de terahercios existe desde hace tiempo el problema de medir objetos en movimiento, ya sea una persona en un control de seguridad o un producto en una cinta transportadora. Este trabajo aborda el problema directamente, introduciendo retroalimentación basada en la posición del pico. Esto lo conecta con la tarea más amplia de compensación de movimiento en ensayos no destructivos y diagnóstico médico.
La precisión de 225 nanómetros es comparable al tamaño del virus de la gripe. El sistema puede detectar un desplazamiento del espejo menor que la longitud de onda de la luz visible.