Прожектор в театре держит актёра в луче, куда бы тот ни шагнул. Терагерцовый радар, о котором пойдёт речь, делает то же самое с коротким световым импульсом, отражённым от движущегося объекта.

Терагерцовые волны сидят между микроволнами и инфракрасным светом. Они проходят сквозь одежду и пластик, но не повреждают ткани, поэтому их пробуют для досмотра и медицинской диагностики. Классический метод измеряет форму короткого импульса, отражённого от образца. Беда в том, что любое смещение образца сдвигает импульс во времени, и он выскакивает из узкого окна наблюдения. Раньше это означало одно: цель должна замереть.

Японские физики собрали установку из двух терагерцовых лазеров. Частоты их импульсов жёстко связаны, но один лазер можно сдвигать по фазе, чтобы перемещать временное окно. Вместо медленного сканирования всего диапазона система быстро осциллирует задержку в узком окне шириной 61 пикосекунда и делает до 154 полных измерений в секунду. Положение пика импульса внутри окна измеряется в реальном времени. Если пик смещается из-за движения образца, обратная связь корректирует фазу второго лазера и возвращает пик в центр.

Так удалось удержать импульс в окне, когда зеркало двигалось со скоростью 4 сантиметра в секунду на расстояние 12 сантиметров. Это в 26 раз больше ширины самого окна. Точность определения положения пика составила 10 фемтосекунд за одно измерение, а при усреднении за 0.44 секунды улучшилась до 1.5 фемтосекунды, что соответствует смещению 225 нанометров. Максимальная скорость отслеживания оценена в 10.8 сантиметра в секунду.

В модельном эксперименте золотое зеркало на вибромоторе имитировало дыхание и сердцебиение: амплитуды колебаний были 2.1 миллиметра и 0.21 миллиметра, а частоты 0.25 и 1.2 герца. Система восстановила эти слабые движения на фоне линейного перемещения до 10 сантиметров. Спектр восстановленного сигнала чётко показал обе частоты.

Раньше терагерцовая спектроскопия требовала неподвижного образца, иначе импульс выскакивал из окна измерения. Теперь окно само следует за целью, смещающейся на десятки сантиметров, с точностью до долей микрона. Достигнуто это парой лазеров с программируемой частотной гребёнкой: один быстро сканирует узкое окно, а второй по сигналу обратной связи сдвигает это окно, удерживая пик в центре.

Прожектор, который сам поворачивается за актёром, теперь работает и в мире терагерцовых волн. Следующий шаг — ускорить поворот и научиться следить за объектом, движущимся в плоскости. Тогда бесконтактный мониторинг дыхания и сердцебиения у пациентов или контроль изделий на конвейере станут обычной практикой.