1. การพัฒนาอุปกรณ์สำหรับเทคนิคสเปกโทรสโกปีในคลื่นย่านเทระเฮิรตซ์ 

ทีมวิจัยของเรามุ่งเน้นการออกแบบ การผลิต และการทดสอบอุปกรณ์สำหรับเทคนิคสเปกโทรสโกปีในคลื่นย่านเทระเฮิรตซ์ ซึ่งรวมถึงเสาอากาศแบบตัวนำเชิงแสง (Photoconductive Antenna; PCA) รวมถึงแผ่นขยายสัญญาณ Metasurface และเกรตติ้งตรวจวัดคลื่นผิวพลาสมอน (Surface Plasmon Resonance Grating; SPR Grating) นอกจากนี้ทีมวิจัยได้ใช้ซอฟต์แวร์จำลองเชิงพาณิชย์เพื่อให้ได้การออกแบบที่เหมาะสมที่สุด และทำการผลิตอุปกรณ์ขนาดเล็กเหล่านี้ในระดับไมครอน สามารถดำเนินการได้โดยใช้อุปกรณ์ภายในกลุ่มวิจัย เช่น Photomask Aligner, Reactive Ion Etcher, RF Magnetron Sputtering System เป็นต้น 

1.1 เสาอากาศแบบตัวนำเชิงแสง (Photoconductive Antenna, PCA) 
เสาอากาศแบบตัวนำเชิงแสง (Photoconductive Antenna, PCA) เป็นหนึ่งในชิ้นส่วนที่มีความสำคัญในอุปกรณ์วิเคราะห์สเปกตรัมสัญญาณเทระเฮิรตซ์ ดังแสดงในรูปที่ 2 เสาอากาศแบบตัวนำเชิงแสงสามารถเป็นได้ทั้งตัวส่งและตัวรับ และมีองค์ประกอบหลักเป็นสารกึ่งตัวนำและขั้วทำจากทอง เมื่อเสาอากาศถูกกระตุ้นด้วยแสงเลเซอร์ จะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในระยะเวลาสั้นๆ (10-12 วินาที) ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นในย่านความถี่เทระเฮิรตซ์ โดยเสาอากาศแบบตัวนำเชิงแสงถูกนำไปประยุกต์ใช้ในเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมสัญญาณเทระเฮิรตซ์แบบโดเมนเวลา (THz Time-Domain Spectroscopy; THz-TDS) ดังแสดงในรูปที่ 2 ที่ถูกนำมาใช้ในเทคนิคสเปกโทรสโกปีย่านเทระเฮิรตซ์ (ดูหัวข้อ 4.3.3) เพื่อตรวจวัดสเปกตรัมของสารหรือวัสดุที่สนใจ ซึ่งสเปกตรัมที่วัดได้จะมีรูปร่างแตกต่างกันตามชนิดและปริมาณของสารหรือวัสดุเหล่านั้น

องค์ประกอบและการใช้งานอุปกรณ์สำหรับเทคนิคสเปกโทรสโกปีในคลื่นย่านเทระเฮิรตซ์

ทีมวิจัยได้ทำการหารูปร่างและโครงสร้างของเสาอากาศแบบตัวนำเชิงแสงที่มีประสิทธิภาพสูงสุด พร้อมกับยกระดับการผลิตเพื่อรองรับยอดการสั่งผลิตในระดับพาณิชย์ (Mass Production) ด้วยการเสนอเทคนิคการผลิตเสาอากาศ TeraAnt Chips ซึ่งเป็นเสาอากาศแบบตัวนำเชิงแสงที่ผลิตโดยใช้กระบวนการ Electron-Beam Irradiation ที่มีจุดเด่นในเรื่องของต้นทุนที่ต่ำกว่ามาก แต่ยังให้ระดับสัญญาณเทระเฮิรตซ์ในระดับที่เทียบเท่ากับเทคนิคในปัจจุบันที่อาศัยการพัฒนาแบบการปลูกแกลเลียมอาร์เซไนด์ที่อุณหภูมิต่ำ (Low-Temperature Grown Gallium Arsenide; LT-GaAs)

1.2 อุปกรณ์ขยายสัญญาณสำหรับเทคนิคสเปกโทรสโกปี
เพื่อเพิ่มความไวและความจำเพาะของการตรวจวัด อาจมีการประยุกต์ใช้แผ่นเมตาเซอร์เฟส (Metasurface) ร่วมกับเทคนิค THz-TDS ดังแสดงในรูปที่ 2 โดยใช้โครงสร้างที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ เช่น วงแหวนแยก (Split Ring Resonator; SRR) เกรตติ้งตรวจวัดคลื่นผิวพลาสมอน (Surface Plasmon Resonance Grating; SPR Grating) โครงสร้างเหล่านี้ถูกออกแบบให้มีความถี่เรโซแนนซ์ (Resonance Frequency) เฉพาะในย่านเทระเฮิรตซ์ ซึ่งจะเกิดการเปลี่ยนแปลงของความถี่เรโซแนนซ์หรือแอมพลิจูดเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของสภาวะแวดล้อมรอบโครงสร้าง

การเปลี่ยนแปลงนี้มีความสัมพันธ์กับคุณสมบัติของตัวอย่าง เช่น ชนิดของโมเลกุล หรือความเข้มข้นของสาร โดยเฉพาะในสารชีวโมเลกุลบางชนิด เช่น น้ำตาลโมเลกุลเดี่ยว (Monosaccharides) โปรตีน DNA ดังนั้น โครงสร้างเมตาเซอร์เฟสดังกล่าวจึงสามารถประยุกต์ใช้เป็น เซนเซอร์ชีวภาพ (Biosensor) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ หรือในอีกกรณีหนึ่ง ยังสามารถใช้เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของสารที่ผิว โดยวัดการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเห (Refractive Index) ของสารที่สัมผัสกับพื้นผิวของเมตาเซอร์เฟส

1.3 แผ่นขยายสัญญาณสำหรับเทคโนโลยีโทรคมนาคม
แผ่นขยายสัญญาณนี้ถูกออกแบบและพัฒนาขึ้นจากองค์ความรู้ Metasurfaces โดยอุปกรณ์ดังกล่าวจะทำหน้าที่คล้ายกับอุปกรณ์ทวนสัญญาณ เพื่อเพิ่มกำลังและรวมสัญญาณให้ตกกระทบไปยังพื้นที่ที่ต้องการใช้งานหรือในบริเวณอับสัญญาณได้ ดังแสดงในรูปที่ 3 ขณะนี้แผ่นขยายสัญญาณที่พัฒนาขึ้นสามารถรองรับการใช้งานบนเครือข่าย 5G โดยอุปกรณ์ดังกล่าวถูกทดสอบภายใต้ความร่วมมือจากทั้งหน่วยงานภาครัฐและภาคเอกชน และผลการทดสอบพบว่า สามารถขยายสัญญาณให้สูงขึ้นกว่าเดิมได้ถึง 32 เท่าที่ความถี่ 26 GHz แนวคิดในการพัฒนาแผ่นขยายสัญญาณดังกล่าวสามารถต่อยอดเพื่อรองรับการสื่อสารในรูปแบบที่เหมาะสมกับความต้องการของผู้ใช้งาน หรือการสื่อสาร 6G ในอนาคตอันใกล้นี้ได้ นอกจากนี้แผ่นขยายสัญญาณที่พัฒนาขึ้นมีต้นทุนการผลิตและการติดตั้งที่ต่ำกว่าอุปกรณ์ทวนสัญญาณที่มีอยู่ในท้องตลาด มีน้ำหนักเบา และสามารถทำงานได้โดยไม่อาศัยพลังงานไฟฟ้า

การพัฒนาและการประยุกต์ใช้แผ่นขยายสัญญาณสำหรับเทคโนโลยีโทรคมนาคม

2. การพัฒนาอุปกรณ์ส่งและรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์

2.1 รับสัญญาณเทระเฮิรตซ์แบบแถว (Terahertz Array Detector)

(ซ้าย) โครงสร้าง และ (ขวา) ภาพถ่ายของตัวรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์แบบแถว

“ตัวรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์แบบแถว” ทำหน้าที่ในการรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์จากแหล่งกำเนิดสัญญาณชนิดต่างๆ โดยอาศัยเทคโนโลยีการดูดซับสัญญาณเทระเฮิรตซ์ในชั้นอภิวัสดุ (Metamaterial) และการเปลี่ยนความร้อนที่ดูดซับเป็นสัญญาณไฟฟ้าผ่านเทคโนโลยี CMOS Microbolometer สำหรับตัวดูดซับสัญญาณที่พัฒนาขึ้นนั้น มีช่วงการตอบสนองต่อความถี่ที่ 0.5–2.0 THz และมีจำนวนทั้งหมด 10 × 10 พิกเซล การผลิตตัวรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์แบบแถวนี้ สามารถใช้เครื่องมือและเทคโนโลยีของศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ (Thai Microelectronics Center; TMEC) ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยในประเทศไทย และตัวรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์ที่ผลิตขึ้นมีศักยภาพในการประยุกต์ใช้กับการถ่ายภาพเทระเฮิรตซ์ (THz Imaging) เพื่อใช้ในการทดสอบแบบไม่ทำลาย (Non-Destructive Testing; NDT) และการควบคุมคุณภาพ (Quality Control; QC)  (ดูข้อมูลเพิ่มเติมที่หัวข้อ 3.1 – 3.2)

2.2 ระบบกำเนิดสัญญาณเทระเฮิรตซ์แบบ Smith-Purcell Radiation (SPR)
ระบบกำเนิดสัญญาณเทระเฮิรตซ์แบบ Smith-Purcell Radiation (SPR) ดังแสดงในรูป ประกอบด้วยปืนอิเล็กตรอนกระแสตรง (DC Electron Gun) ที่ได้รับการปรับแต่งให้มีขนาดกะทัดรัด สามารถสร้างลำอิเล็กตรอนพลังงาน 35 keV แบบต่อเนื่อง โดยลำอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านเกรตติงซิลิคอนเคลือบโลหะเพื่อกระตุ้นให้เกิดการแผ่รังสีเทระเฮิรตซ์

อ่านข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ : Terahertz Device : Smith-Purcell Radiation

(ซ้าย) องค์ประกอบ และ (ขวา) ภาพถ่ายของระบบกำเนิดสัญญาณเทระเฮิรตซ์
แบบ Smith-Purcell Radiation (SPR)

3. การพัฒนาเทคนิคการสร้างภาพและสเปกโทรสโกปีในคลื่นย่านเทระเฮิรตซ์

3.1 ระบบตรวจสอบคุณภาพแบบสายพานลำเลียง
ทีมวิจัยได้พัฒนาระบบตรวจสอบคุณภาพแบบสายพานลำเลียง เพื่อจำลองการตรวจวัดในสายการผลิต ดังแสดงในรูป

ภาพรวมและความสามารถของระบบตรวจสอบคุณภาพแบบสายพานลำเลียง

โดยระบบดังกล่าวจะมีสายพานที่ลำเลียงวัสดุให้ผ่านไปในบริเวณระหว่างตัวส่งและตัวรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์ เมื่อวัสดุถูกลำเลียงผ่านไปในบริเวณนั้น จะเกิดการบดบังสัญญาณที่แตกต่างกันตามคุณสมบัติของวัตถุ เช่น ชนิด ความหนา และความชื้นของวัสดุ ทำให้ค่าความเข้มสัญญาณเทระเฮิรตซ์ที่ตรวจวัดได้แตกต่างกันในแต่ละบริเวณของวัสดุ และเกิดเป็นภาพเทระเฮิรตซ์ขึ้นมา เนื่องจากสัญญาณเทระเฮิรตซ์สามารถทะลุผ่านวัสดุได้หลายชนิด และตอบสนองต่อความชื้น ระบบดังกล่าวจึงสามารถนำไปใช้ในการสร้างภาพของวัสดุซุกซ่อนภายใน หรือภาพการกระจายความชื้นภายในวัสดุ ที่ไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าได้ นอกจากนี้ ระบบดังกล่าวรองรับการแสดงผลภาพสีจากกล้องถ่ายภาพ ทำให้สามารถแสดงผลได้ทั้งภาพภายนอกและภายในวัสดุ

อ่านข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ Terahertz Imaging : สร้างภาพด้วยสัญญาณเทระเฮิรตซ์ ประยุกต์ใช้กับระบบสายพานลำเลียง

3.2 ระบบตรวจจับวัตถุซุกซ่อนภายในแบบ 3 มิติ
ระบบตรวจจับวัตถุซุกซ่อนภายในแบบ 3 มิติ  พัฒนาขึ้นจากหลักการสะท้อนของคลื่นเทระเฮิรตซ์ โดยคลื่นเทระเฮิรตซ์ที่สร้างจากตัวกำเนิดสัญญาณ จะสามารถทะลุผ่านสิ่งปกคลุมที่มีส่วนประกอบเป็นผ้า กระดาษ หรือพลาสติก และเข้าไปตกกระทบบนวัตถุที่ถูกซุกซ่อนอยู่ภายใน หากวัตถุดังกล่าวมีส่วนประกอบของโลหะหรือเซรามิค ซึ่งมักจะพบในของมีคมหรือวัตถุอันตราย คลื่นเทระเฮิรตซ์ก็จะถูกสะท้อนออกมาจากวัตถุ เหล่านั้นออกมายังตัวรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์

ภาพรวมและความสามารถของระบบตรวจจับวัตถุซุกซ่อนภายในแบบ 3 มิติ

ทีมวิจัยได้นำหลักการนี้มาพัฒนาเป็นระบบตรวจจับวัตถุซุกซ่อนภายในแบบ 3 มิติ ที่ประกอบด้วยตัวส่งและรับสัญญาณเทระเฮิรตซ์ กล้องถ่ายภาพ 3 มิติ และแท่นหมุนวัตถุเพื่อเก็บข้อมูลวัตถุโดยรอบ รวมทั้งทีมวิจัยได้พัฒนาซอฟต์แวร์ประมวลผลเพื่อนำข้อมูลสัญญาณสะท้อนจากวัตถุซุกซ่อนไปแสดงผลในตำแหน่งที่ถูกต้องบนภาพ 3 มิติของวัตถุได้ จากผลการทดสอบพบว่า ระบบสามารถตรวจจับวัตถุซุกซ่อนได้ดีบนวัตถุที่มีรูปร่างเป็นทรงกระบอก แต่ไม่สามารถแสดงผลตำแหน่งของวัตถุซุกซ่อนได้ถูกต้องหากวัตถุมีรูปร่างแบบอื่นที่แตกต่างจากทรงกระบอกมากเกินไป ซึ่งในปัจจุบันทีมวิจัยอยู่ในระหว่างการพัฒนาอัลกอริทึมที่แก้ไขข้อจำกัดดังกล่าว

3.3 แพลตฟอร์มเทคโนโลยีสเปกโทรสโกปี

หนึ่งในคุณสมบัติที่น่าสนใจของคลื่นเทระเฮิรตซ์ คือ ความสามารถในการตรวจวัดสารชีวโมเลกุลได้ โดยสารชีวโมเลกุลที่มีชนิดหรือปริมาณต่างกัน จะให้รูปแบบของสัญญาณสเปกตรัมในย่านความถี่เทระเฮิรตซ์ที่ต่างกัน ทีมวิจัยมีอุปกรณ์ที่สามารถเก็บสัญญาณสเปกตรัมได้ในย่านความถี่เทระเฮิรตซ์ ทั้งในแบบโดเมนเวลาและโดเมนความถี่ ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้มีความสามารถในวัดสเปกตรัมของสารชีวโมเลกุลพื้นฐานได้หลายชนิด โดยเฉพาะสารพื้นฐานที่พบในอุตสาหกรรมเกษตร อาหาร และเครื่องสำอาง รวมทั้งทีมวิจัยยังได้มีการประยุกต์ใช้เทคนิคปัญญาประดิษฐ์ เพื่อทำนายชนิดและปริมาณของสารชีวโมเลกุลจากสัญญาณสเปกตรัมที่มีความซับซ้อนได้ ดังภาพแสดงภาพรวมของแพลตฟอร์มเทคโนโลยีสเปกโทรสโกปีที่ทีมวิจัยดำเนินการอยู่

ภาพรวมของแพลตฟอร์มเทคโนโลยีสเปกโทรสโกปี และการใช้ประโยชน์

นอกจากนี้ ทีมวิจัยได้พัฒนาแพลตฟอร์มฐานข้อมูลสเปกตรัม ที่เก็บรวบรวมข้อมูลสเปกตรัมที่วัดได้จากสารชีวโมเลกุลพื้นฐาน เพื่อนำไปใช้ในการอ้างอิง วิเคราะห์ หรือสร้างโมเดลปัญญาประดิษฐ์ ในอนาคตทีมวิจัยมีแผนที่จะเปิดใช้งานระบบดังกล่าวให้กับหน่วยงานพันธมิตร เพื่อให้เกิดประโยชน์สูงสุดในการแบ่งปันและการนำข้อมูลไปใช้งาน

4. เทคโนโลยีอื่นๆ

4.1 เทคโนโลยีไลดาร์สำหรับการสร้างแผน 3 (LiDAR 3D Mapping)
เทคโนโลยี LiDAR อาศัยการใช้แสงเลเซอร์ในย่านอินฟราเรด ในการวัดระยะทาง ณ จุดต่างๆ บนพื้นผิวของวัตถุได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ หากมีการประมวลผลข้อมูลดังกล่าวร่วมกับอุปกรณ์ระบุตำแหน่ง เช่น GPS (Global Positioning System), UWB (Ultra-Wide Band), หรือ IMU (Inertial Measurement Unit) จะช่วยให้สามารถสร้างภาพหรือแผนที่ 3 มิติที่มีขนาดใหญ่ได้ เนื่องจากแสงเลเซอร์ที่ใช้ใน LiDAR มีความยาวคลื่นสั้นและความถี่ไม่อยู่ในย่านคลื่นที่ตามองเห็นได้ เทคโนโลยี LiDAR จึงมีจุดเด่นในแง่ของความละเอียดในการวัดระยะทางอยู่ในระดับเซ็นติเมตร และสามารถในการใช้งานได้ทั้งในช่วงกลางวันและกลางคืน

ระบบสร้างภาพแผนที่ 3 มิติทั้งนอกอาคารและในอาคาร

ทั้งนี้ ทีมวิจัยได้มีประสบการณ์ในการใช้เทคโนโลยี LiDAR ในการสร้างแผนที่ทางนอกและในอาคาร ดังแสดงใน และมีการศึกษาการนำเทคโนโลยี LiDAR ในรูปแบบต่างๆ มาทำการเปรียบเทียบและวิเคราะห์ประสิทธิภาพในการสร้างภาพ 3 มิติ เพื่อเป็นข้อมูลสำหรับใช้ในการวางแผนพัฒนาระบบสร้างภาพ 3 มิติที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น มีขนาดเล็กลง สามารถพกพาได้ และเหมาะสมกับพื้นที่ทั้งในอาคารและนอกอาคารของสถานที่ทำการสำรวจ

• Nanofabrication based on Physical Vapor Deposition (PVD)/Chemical Vapor Deposition (CVD): ทีมวิจัยมีความเชี่ยวชาญในศึกษาวิจัยและพัฒนากระบวนการเคลือบฟิล์มบางในระบบสุญญากาศ เช่น ฟิล์มบางโลหะ ฟิล์มอัลลอยด์ ฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์ ฟิล์มโพลีเมอร์ และฟิล์มที่มีสมบัติแม่เหล็ก รวมถึงการสังเคราะห์วัสดุนาโนคาร์บอนด้วยการเคลือบผิวด้วยไอเคมี หรือ CVD ซึ่งสามารถสังเคราะห์วัสดุนาโนคาร์บอน เช่น ท่อคาร์บอนนาโน (carbon nanotube), กราฟีนและกราฟีนที่มีโครงสร้างสามมิติ (graphene and 3-D graphene) และ เพชรนาโน (nanodiamond) ที่มีความบริสุทธ์สูง
• Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS): เป็นเทคนิคการใช้โครงสร้างนาโนของโลหะมีตระกูลในการเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจวัดสัญญาณ Raman ในการตรวจวัดและวิเคราะห์โมเลกุลของสารเคมีได้มากจนถึงระดับที่สามารถตรวจวัดสารตกค้าง (trace) ประเภทต่าง ๆ ได้
• Gas sensing platform: การพัฒนาเซนเซอร์ตรวจวัดก๊าซ (gas sensor) ที่อาศัยคุณสมบัติพิเศษของวัสดุผสมนาโนคาร์บอนและโลหะออกไซด์กึ่งตัวนำ (semiconducting metal oxides) เพื่อให้ได้เซนเซอร์ตรวจวัดก๊าซที่มีโครงสร้างพิเศษโดยมีความไวต่อก๊าซและความจำเพาะสูง
• Carbon-based electrochemical sensor: การประยุกต์ใช้วัสดุนาโนคาร์บอนที่สังเคราะห์ขึ้นภายในห้องปฏิบัติการ พัฒนาเซนเซอร์เคมีไฟฟ้าที่มีความไวในการรับรู้สูงกว่าเซนเซอร์เคมีไฟฟ้าทั่วไป
• Vacuum coating system and components: การออกแบบพัฒนาและจัดสร้างอุปกรณ์สุญญากาศ ระบบสุญญากาศ และเครื่องเคลือบฟิล์มบางในสุญญากาศ โดยมุ่งเน้นการพัฒนาวัสดุและอุปกรณ์ที่มีคุณภาพเป็นมาตรฐานเทียบเท่าระดับสากล สามารถทดแทนอุปกรณ์สุญญากาศหรือใช้งานร่วมกับระบบสุญญากาศจากต่างประเทศได้ ทั้งนี้การพัฒนาวิศวกรรมนี้มุ่งพัฒนาอุปกรณ์และระบบที่ตอบโจทย์งานวิจัยฟิล์มบางในสุญญากาศเป็นสำคัญ