Википедия

Терагерцевое излучение

Тераге́рцевое излуче́ние (или терагерцо́вое излучение), ТГц-излучение, субмиллиметровое излучение, субмиллиметровые волны — электромагнитное излучение, спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонами. Включает в себя электромагнитные волны определяемого МСЭ диапазона частот 0,3—3 ТГц[1][2], хотя верхняя граница для терагерцевого излучения несколько условна и в некоторых источниках считается 30 ТГц. Определяемый МСЭ диапазон частот соответствует диапазону децимиллиметровых волн, 1—0,1 мм. Такое же определение диапазону волн даёт ГОСТ 24375-80 и относит эти волны к диапазону гипервысоких частот[3].

Терагерцевое излучение — не ионизирующее, легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами и некоторыми диэлектриками. Например, дерево, пластик, керамика для него прозрачны, а металл и вода — нет.

Наука и техника субмиллиметровых волн начала активно развиваться с 1960—1970-х годов, когда стали доступны первые источники и приёмники такого излучения[4][5]. С начала XXI века это бурно развивающееся направление[6][7], имеющее большие перспективы в различных отраслях.

Источники излучения

править

Одними из первых были разработаны электровакуумные импульсные источники излучения малой мощности, такие как ЛОВ, оротрон. Затем более мощные источники (до десятков кВт) — ЛСЭ, гиротрон. Так, один из разработанных гиратронов имел мощность 1,5 кВт на частоте 1 ТГц в импульсе длительностью 50 мкс, КПД при этом составлял 2,2 %[8]. В числе мощных источников терагерцового излучения — Новосибирский терагерцовый ЛСЭ со средней мощностью 500 Вт[9][10].

В качестве ТГц-источников с недавнего времени используются линейные ускорители и синхротроны[уточнить][11][12]. В работе[13] представлен импульсный источник ТГц-излучения большой мощности (средняя — 20 Вт, а в пике — ~1 МВт).

Излучение вышеперечисленных источников является тормозным, оно исходит от электронов, ускоренно движущихся в электрическом или магнитном поле специальной конфигурации в вакуумной камере.

Источником ТГц-излучения малой мощности является квантовый оптический генератор (лазер). До конца XX века лазеры для дальней ИК области были громоздкими и малоэффективными, поэтому потребовалась разработка новой схемы генерации. Впервые так называемый квантово-каскадный принцип генерации ТГц-лазера был реализован в 1994 году. Однако проблемой было то, что активная среда, в которой возникало ТГц-излучение, его же и поглощала. К 2002 году проблема была решена введением в активную область многослойного кристалла лазера множества волноводов, выводящих ТГц-излучение наружу. Таким образом был создан первый квантово-каскадный лазер ТГц-излучения, работающий на частоте 4,4 ТГц и выдающий мощность 2 мВт[14].

Также для генерации маломощного ТГц-излучения применяются источники, использующие электрооптический эффект[англ.] в полупроводниковом кристалле. Для этого требуются импульсы фемтосекундного (например, титан-сапфирового) лазера и полупроводниковый кристалл с заданными свойствами (часто используют теллурид цинка). Рассматривается возможность создания ТГц-источников на основе эффекта Дембера.

Используют диоды Ганна для создания и регистрации ТГц-излучения.

Существует множество работ, посвящённых принципам генерации ТГц-излучения. В работе[15], например, теоретически исследуется эмиссия ТГц-излучения от Джозефсоновских переходов между сверхпроводниками при подаче тока вследствие нестационарного эффекта Джозефсона.

Приёмники излучения

править

Первыми приёмниками могут считаться болометр и оптико-акустический приёмник (ячейка Голея), прототип которого был создан в 1930-х годах Хэисом, а затем усовершенствован М. Голеем в 1940-х годах[16].

Изначально эти устройства создавались для регистрации инфракрасного (теплового) излучения. Было установлено, что выделение слабого сигнала в ТГц-области невозможно без подавления тепловых шумов. Поэтому в качестве ТГц-приёмников позже стали использовать болометры, охлаждаемые до температур в несколько кельвин.

Для детектирования ТГц-излучения также применяют радиометры, чувствительный элемент которых изготовлен на основе пироэлектрика (сегнетоэлектрика). Эффективно работают пластинки из танталата лития (LiTaO3). Технические характеристики современных пироприёмников и болометров можно посмотреть, например, здесь

Существует экспериментальный образец приёмной камеры, принцип действия которой основан на измерении туннельного тока от чувствительных мембран элементов приёмной матрицы[17].

Описанные выше приёмники являются неселективными (тепловыми), то есть позволяют регистрировать интегральную мощность сигнала в диапазоне, вырезаемом оптической системой перед приёмником без детализации спектра ТГц-излучения. Эквивалентная мощность шума (NEP), лучших тепловых приёмников лежит в диапазоне 10−18—10−19 Вт/Гц1/2[18].

К селективным ТГц-приёмникам относятся камеры, в которых используется фотосмешение[англ.], эффект Поккельса, колебания электрического поля (в диодах Ганна). Фотосмешение осуществляют на поверхности металлических антенн[19][20], в полупроводниковых кристаллах[21], тонких сверхпроводящих плёнках. В результате получают сигнал на разностной частоте, который анализируют обычными методами. Эффект Поккельса реализуется в полупроводниковых кристаллах, например, в кристалле арсенида галлия (GaAs).

Существует достаточно большое число приёмников ТГц-излучения, и по сей день идет поиск альтернативных принципов детектирования.

ТГц-спектроскопия

править

ТГц-диапазон до недавнего времени был труднодоступен, но с развитием ТГц-техники ситуация изменилась. Сейчас существуют ТГц-спектрометры[англ.] (Фурье-спектрометры и монохроматоры), работающие во всем ТГц-диапазоне.

В их конструкции используются некоторые из описанных выше источников, приёмников и оптические ТГц-элементы, такие как дифракционные ТГц-решетки, линзы из особой пластмассы[англ.], фокусирующие рупоры, узкополосные резонансные mesh-фильтры[22]. Возможно использование призм и других диспергирующих элементов. Техника, используемая для ТГц-спектроскопии, содержит черты техник для соседних СВЧ- и ИК-диапазонов, но по-своему уникальна.

ТГц-излучение является компонентой теплового излучения различных макроскопических объектов (как правило, на длинноволновом хвосте спектрального распределения). В ТГц-диапазоне расположены частоты межуровневых переходов некоторых неорганических веществ (линии воды[23], кислорода, CO, например), длинноволновых колебаний решёток ионных и молекулярных кристаллов, изгибных колебаний длинных молекул, в том числе полимеров и биополимеров; характеристические частоты примесей в диэлектриках, в том числе в лазерных кристаллах; в полупроводниках это частоты, соответствующие энергии связей примесных комплексов, экситонов, зеемановским и штарковским переходам возбуждённых состояний примесей[24]. Частоты мягких мод в сегнетоэлектриках и частоты, соответствующие энергии щелей в сверхпроводниках, также находятся в ТГц-диапазоне[25].

Представляет интерес изучение магнито‍тормозного (циклотронного и синхротронного излучения), магнитодрейфового и черенковского излучения в этом диапазоне, которые при определённых условиях дают существенный вклад в общий спектр ТГц-излучения.

Применение в хозяйственной деятельности

править

ТГц-излучение уже находит применение в некоторых видах хозяйственной деятельности и повседневной жизни людей.

Так, в системах безопасности оно используется для сканирования багажа и людей. В отличие от рентгеновского, ТГц-излучение не наносит вреда организму. С его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и другие предметы на расстояниях до десятков метров, например, с помощью системы Tadar[26]. Длина волны сканирующего излучения — 3 мм.

В статье[27] описывается метод получения изображения микроскопических объектов с использованием ТГц-излучения, благодаря чему авторами были получены рекордные значения чувствительности и разрешающей способности.

В медицинскую практику начинают внедряться ТГц-томографы[28], с помощью которых можно исследовать верхние слои тела — кожу, сосуды, мышцы — до глубины в несколько сантиметров. Это нужно, например, для получения изображения опухолей.

Совершенствование приёмных ТГц-камер позволит получать снимки поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что, в свою очередь, сделает возможным «бесконтактное» восстановление первоначального облика произведений живописи[29].

В производстве ТГц-излучение может найти применение для контроля качества выпускаемой продукции, мониторинга оборудования. Например, можно проводить осмотр продукции в пластиковой, бумажной таре, прозрачной в ТГц-спектре, но непрозрачной в видимом.

Рассматривается возможность разработки высокоскоростных ТГц-систем связи[30] и ТГц-локации для больших высот и космоса.

Перспективные исследования

править

Большую важность имеют исследования в области ТГц-спектроскопии различных веществ, что позволит найти для них новые применения.

На поверхность Земли практически всё ТГц-излучение попадает от Солнца. Однако, из-за сильного поглощения водными парами атмосферы его мощность ничтожно мала. Поэтому особый интерес представляет исследование воздействия ТГц-излучения на живой организм[31].

Представляет интерес изучение спектра ТГц-излучения от астрофизических объектов, что позволит получить о них больше информации. В чилийских Андах на высоте 5100 м работает первый в мире телескоп, принимающий излучение от Солнца и других космических светил в диапазоне 0,2—1,5 мм.

Ведутся разработки в области ТГц-эллипсометрии[32][33], голографии, исследования взаимодействия ТГц-излучения с металлами и другими веществами. Изучается распространение и взаимодействие ТГц-плазмонов в волноводах разных конфигураций. Разрабатывается база ТГц-схемотехники; уже изготовлены первые ТГц-транзисторы. Эти исследования необходимы, например, для повышения рабочей частоты процессоров до ТГц-диапазона.[уточнить]

Исследование магнитотормозного ТГц-излучения позволит получить информацию о структуре вещества, находящегося в сильном магнитном поле (4—400 Тл).

Также ведутся активные разработки по заказу военных и спецслужб по терагерцовым РЛС и радиолокационно-оптическим системам визуализации, работающим в терагерцовом диапазоне, в том числе персональным, представляющим собой радиолокационно-оптический прибор на основе терагерцевой РЛС, на экране которого картинка отображается в терагерцовом диапазоне. Применение терагерцового излучения в радиолокационно-оптических средствах визуализации может быть использовано для создания очередного вида ПНВ наряду с другими реализуемыми способами, такими как ЭОП, инфракрасная камера, ультрафиолетовая камера.[источник не указан 3007 дней]

Примечания

править
  1. ↑ Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telemmunications. ITU. Дата обращения: 20 февраля 2013. Архивировано из оригинала 31 октября 2013 года.
  2. ↑ Article 2.1: Frequency and wavelength bands // Radio Regulations. — 2016. — International Telecommunication Union, 2017.
  3. ↑ ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения. Дата обращения: 20 октября 2017. Архивировано 5 сентября 2016 года.
  4. ↑ Р. Г. Мириманов. Миллиметровые и субмиллиметровые волны. — М.: изд. ин. литературы, 1959.
  5. ↑ Р. А. Валитов, С. Ф. Дюбко, В. В. Камышан и др. Техника субмиллиметровых волн. — М.: Сов. Радио, 1969.
  6. ↑ Yun-Shik Lee. Principles of Terahertz Science and Technology. — Springer, 2009.
  7. ↑ Kiyomi Sakai (Ed.). Terahertz Optoelectronics. — Springer, 2005.
  8. ↑ M. Yu. Glyavin, A. G. Luchinin, and G. Yu. Golubiatnikov, PRL 100, 015101 (2008) «Generation of 1.5-kW, 1-THz Coherent Radiation from a Gyrotron with a Pulsed Magnetic Field».
  9. ↑ Лазеры на свободных электронах: новый этап развития Архивная копия от 5 марта 2016 на Wayback Machine. «Наука в Сибири», N 50 (2785) 23 декабря 2010.
  10. ↑ Несвободное плавание свободных электронов Архивная копия от 17 июля 2010 на Wayback Machine.
  11. ↑ G. L. Carr*, Michael C. Martin†, Wayne R. McKinney†, K. Jordan‡,George R. Neil‡ & G. P. Williams‡, NATURE, VOL 420, 14 NOVEMBER 2002 «High-power terahertz radiation from relativistic electrons»
  12. ↑ Y.-L. MATHIS, B. GASHAROVA and D. MOSS, Journal of Biological Physics 29: 313—318, 2003, «Terahertz Radiation at ANKA, the New Synchrotron Light Source in Karlsruhe».
  13. ↑ G.L. CARR, M.C. MARTIN, W.R. MCKINNEY, K. JORDAN, G.R. NEIL and G.P. WILLIAMS, Journal of Biological Physics 29: 319—325, 2003. «Very High Power THz Radiation Sources»
  14. ↑ R. Köhler et al. Terahertz semiconductor-heterostructure laser (англ.) // Nature. — 2002. — Vol. 417. — P. 156—159. — doi:10.1038/417156a. Архивировано 6 июля 2008 года.
  15. ↑ Masashi Tachiki,1 Shouta Fukuya,2 and Tomio Koyama, PRL 102, 127002 (2009) «Mechanism of Terahertz ElectromagneticWave Emission from Intrinsic Josephson Junctions»
  16. ↑ Harold A. Zahl and Marcel J.E. Golay, Re. Sci. Inst. 17, 11, November 1946, «Pneumatic Heat Detector»
  17. ↑ T. W. Kenny and J. K. Reynolds, J. A. Podosek, et al., RevSciInstrum_67_112, «Micromachined infrared sensors using tunneling displacement transducers»
  18. ↑ Demonstration of high optical sensitivity in far-infrared hot-electron bolometer. Appl. Phys. Lett. 98, 193503 (2011); doi:10.1063/1.3589367 (3 pages) (недоступная ссылка)
  19. ↑ E. N. Grossman, «Lithographic Antennas for Submillimeter and Infrared Frequencies»
  20. ↑ Masahiko Tani et al.,International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 27, No. 4, April 2006, NOVEL TERAHERTZ PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS
  21. ↑ K. A. McIntosh, E. R. Brown, ApplPhysLett_73_3824, «Terahertz photomixing with diode lasers in low-temperature-grown GaAs»
  22. ↑ W. Porterfield, J. L. Hesler, et al., APPLIED OPTICS, Vol. 33, No. 25 , 1994, Resonant metal-mesh bandpass filters for the far infrared
  23. ↑ Cecilie Rønne, Per-Olof Åstrand, and Søren R. Keiding, PRL,VOL 82, NUMBer 14, 1999, THz Spectroscopy of Liquid H2O and D2O
  24. ↑ Grischkowsky, S0ren Keiding, et al., J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 7, No. 10, 1990, Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors
  25. ↑ Субмиллиметровая спектроскопия. Дата обращения: 22 июля 2010. Архивировано 22 марта 2012 года.
  26. ↑ Tadar. Дата обращения: 22 июля 2010. Архивировано 1 мая 2012 года.
  27. ↑ A. J. Huber,†,‡ F. Keilmann, et. Al, NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 11, Terahertz Near-Field Nanoscopy of Mobile Carriers in Single Semiconductor Nanodevices
  28. ↑ S.Wang and X-C Zhang, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004), Pulsed terahertz tomography
  29. ↑ Hidden Art Could be Revealed by New Terahertz Device Архивная копия от 26 ноября 2010 на Wayback Machine Newswise, Retrieved on 21 September 2008
  30. ↑ R. Piesiewicz, M. Jacob, M. Koch, J. Schoebel and T. Kürner, Performance analysis of future multi-gigabit wireless communication systems at THz frequencies with highly directive antennas in realistic indoor environments, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 14, No. 2, March/April 2008
  31. ↑ Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Усанов А. Д., Рытик А. П. — Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 2007., БИОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
  32. ↑ T. Hofmann, U. Schade, et al., REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 77, 063902 2006, Terahertz magneto-optic generalized ellipsometry using synchrotron and blackbody radiation
  33. ↑ Ranxi Zhang et al., APPLIED OPTICS, Vol. 47, No. 34, 2008, Polarization information for terahertz imaging

Литература

править
  • Братман В. Л., Литвак А. Г., Суворов Е. В. Освоение терагерцевого диапазона: источники и приложения // УФН. — 2011.
  • A.A. Angeluts, A.V. Balakin, M.G.Evdokimov,M.N. Esaulkov,M.M.Nazarov, I.A.Ozheredov, D.A. Sapozhnikov, P.M.Solyankin, O.P.Cherkasova, A.P.Shkurinov, «Characteristic responses of biological and nanoscale systems in the terahertz frequency range», Quantum Electronics, v. 44, N7, pp. 614—632, 2014, DOI:10.1070/QE2014v044n07ABEH015565.
  • Генерация и усиление сигналов терагерцового диапазона: колл.монография / под ред. А. Е. Храмова, А. Г. Баланова, В. Д. Еремки, В. Е. Запевалова, А. А. Короновского. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2016. 460 с. ISBN 978-5-7433-3013-3

Ссылки

править
Источник — https://ru.wiki.x.io/w/index.php?title=Терагерцевое_излучение&oldid=140539929