Radiația terahertz

Radiația terahertz (sau radiația terahertz ), radiația THz , radiația submilimetrică , undele submilimetrice  - radiația electromagnetică , al cărei spectru de frecvență este situat între intervalele infraroșu și microunde . Include undele electromagnetice în intervalul de frecvență definit de ITU de 0,3-3 THz [1] [2] , deși limita superioară pentru radiația terahertz este oarecum arbitrară și în unele surse este considerată 30 THz. Intervalul de frecvență definit de ITU corespunde domeniului undelor decimilimetrice, 1-0,1 mm. Aceeași definiție a intervalului de unde este dată de GOST 24375-80 și se referă la aceste unde la intervalul de hiper-înaltă frecvență [3] .

Radiația teraherți este neionizantă , trecând ușor prin majoritatea dielectricilor, dar este puternic absorbită de materialele conductoare și de unii dielectrici. De exemplu, lemnul, plasticul, ceramica sunt transparente pentru el, dar metalul și apa nu.

Știința și tehnologia undelor submilimetrice au început să se dezvolte activ încă din anii 1960 și 1970, când au devenit disponibile primele surse și receptoare de astfel de radiații [4] [5] . De la începutul secolului XXI, aceasta este o direcție în dezvoltare rapidă [6] [7] , care are perspective mari în diverse industrii.

Surse de radiații

Una dintre primele care au fost dezvoltate au fost sursele de radiații pulsate electrovacuum de putere mică, cum ar fi BWO , orotron . Apoi surse mai puternice (până la zeci de kW) - FEL , girotron . Astfel, unul dintre giratronii dezvoltați avea o putere de 1,5 kW la o frecvență de 1 THz într-un impuls cu o durată de 50 μs, în timp ce eficiența a fost de 2,2% [8] . Printre sursele puternice de radiație terahertz se numără Novosibirsk terahertz FEL cu o putere medie de 500 W [9] [10] .

Recent, acceleratoarele liniare și sincrotronii au fost folosiți ca surse THz.[ clarifica ] [11] [12] . În [13] , este prezentată o sursă de radiație THz pulsată de mare putere (medie, 20 W și vârf, ~1 MW).

Radiația surselor de mai sus este bremsstrahlung, provine de la electroni care se mișcă rapid într-un câmp electric sau magnetic cu o configurație specială într-o cameră cu vid.

Sursa de radiație THz de putere mică este un generator optic cuantic ( laser ). Până la sfârșitul secolului al XX-lea, laserele pentru regiunea IR îndepărtată erau voluminoase și ineficiente, așa că era necesară dezvoltarea unei scheme de nouă generație. Așa-numitul principiu al cascadei cuantice al generării laserului THz a fost realizat pentru prima dată în 1994. Problema a fost însă că mediul activ, în care a apărut radiația THz, l-a absorbit și el. Până în 2002, problema a fost rezolvată prin introducerea în regiunea activă a unui cristal laser multistrat a unei multitudini de ghiduri de undă care scot la exterior radiația THz. Astfel, a fost creat primul laser în cascadă cuantică de radiație THz, funcționând la o frecvență de 4,4 THz și producând o putere de 2 mW [14] .

De asemenea, pentru a genera radiații THz de putere redusă, se folosesc surse care utilizează efectul electro-optic într-un cristal semiconductor. Acest lucru necesită impulsuri ale unui laser de femtosecundă (de exemplu, titan-safir ) și un cristal semiconductor cu proprietățile dorite (deseori se folosește telurura de zinc ). Se are în vedere posibilitatea de a crea surse THz pe baza efectului Dember .

Diodele Gunn sunt folosite pentru a genera și detecta radiații THz.

Există multe lucrări dedicate principiilor de generare a radiației THz. În [15] , de exemplu, emisia de radiație THz de la joncțiunile Josephson dintre supraconductori este studiată teoretic atunci când se aplică curent datorită efectului Josephson nestaționar .

Receptoare de radiații

Primele receptoare pot fi considerate un bolometru și un receptor optic-acustic ( celula Golay ), al cărui prototip a fost creat în anii 1930 de Hayes, iar apoi îmbunătățit de M. Golay în anii 1940 [16] .

Inițial, aceste dispozitive au fost create pentru a înregistra radiația infraroșie (termică). S-a constatat că izolarea unui semnal slab în regiunea THz este imposibilă fără suprimarea zgomotului termic. Prin urmare, bolometrele răcite la temperaturi de câțiva kelvin au fost utilizate ulterior ca receptori THz.

Pentru a detecta radiația THz , se folosesc și radiometre , al căror element sensibil este realizat pe baza unui piroelectric ( feroelectric ). Plăcile de tantalat de litiu (LiTaO 3 ) funcționează eficient. Caracteristicile tehnice ale piroreceptoarelor și bolometrelor moderne pot fi vizualizate, de exemplu, aici

Există o probă experimentală a camerei receptoare, al cărei principiu de funcționare se bazează pe măsurarea curentului de tunel din membranele sensibile ale elementelor matricei receptoare [17] .

Receptoarele descrise mai sus sunt neselective (termice), adică permit înregistrarea puterii semnalului integral în intervalul decupat de sistemul optic în fața receptorului fără a detalia spectrul de radiații THz. Puterea echivalentă a zgomotului ( NEP ) a celor mai bune receptoare termice este în intervalul 10 −18 —10 −19 W/Hz 1/2 [18] .

Receptoarele selective THz includ camere care folosesc fotomixing , efect Pockels , oscilații de câmp electric (în diode Gunn ). Fotomixarea se realizează pe suprafața antenelor metalice [19] [20] , în cristale semiconductoare [21] , filme subțiri supraconductoare. Ca rezultat, se obține un semnal la diferența de frecvență, care este analizat prin metode convenționale. Efectul Pockels este realizat în cristale semiconductoare, de exemplu, într-un cristal de arseniură de galiu (GaAs).

Există un număr destul de mare de receptoare de radiații THz și până în prezent există o căutare a unor principii alternative de detectare.

Spectroscopie THz

Până de curând, gama THz era greu de accesat, dar odată cu dezvoltarea tehnologiei THz, situația s-a schimbat. Acum există spectrometre THz ( spectrometre Fourier și monocromatoare ) care funcționează în întregul interval THz.

Designul lor folosește unele dintre sursele descrise mai sus, receptoare și elemente optice THz, cum ar fi rețele de difracție THz, lentile din plasticcornuri de focalizare , filtre cu plasă rezonantă cu bandă îngustă [22] Este posibil să se utilizeze prisme și alte elemente dispersive. Tehnica utilizată pentru spectroscopia THz conține caracteristici ale tehnicilor pentru intervalele vecine de microunde și infraroșu, dar este unică în felul său.

Radiația THz este o componentă a radiației termice a diferitelor obiecte macroscopice (de regulă, pe coada cu lungime de undă lungă a distribuției spectrale). În intervalul THz, există frecvențe de tranziții internivel ale unor substanțe anorganice (linii de apă [23] , oxigen, CO, de exemplu), vibrații cu undă lungă ale rețelelor de cristale ionice și moleculare , vibrații de încovoiere ale moleculelor lungi , inclusiv polimeri și biopolimeri; frecvențele caracteristice ale impurităților din dielectrici, inclusiv cristale laser; în semiconductori, acestea sunt frecvențele corespunzătoare energiilor de legare ale complexelor de impurități, excitonilor , tranzițiilor Zeeman și Stark ale stărilor excitate ale impurităților [24] . Frecvențele modurilor soft în feroelectrice și frecvențele corespunzătoare energiei golurilor din supraconductori sunt de asemenea în domeniul THz [25] .

Este de interes să se studieze magneto -bremsstrahlung (radiația ciclotron și sincrotron ), magneto-drift și radiația Cherenkov în acest interval, care, în anumite condiții, aduc o contribuție semnificativă la spectrul total al radiației THz.

Aplicare în activitatea economică

Radiația THz este deja utilizată în anumite tipuri de activități economice și în viața de zi cu zi a oamenilor.

Deci, în sistemele de securitate, este folosit pentru a scana bagajele și oamenii. Spre deosebire de razele X, radiațiile THz nu dăunează organismului. Poate fi folosit pentru a vedea obiecte din metal, ceramică, plastic și alte obiecte ascunse sub îmbrăcămintea unei persoane la distanțe de până la zeci de metri, de exemplu, folosind sistemul Tadar [26] . Lungimea de undă a radiației de scanare este de 3 mm.

Articolul [27] descrie o metodă de obținere a imaginilor obiectelor microscopice folosind radiația THz, datorită căreia autorii au obținut valori record de sensibilitate și rezoluție.

În practica medicală încep să fie introduse tomografele THz [28] , cu ajutorul cărora este posibil să se examineze straturile superioare ale corpului - piele, vase de sânge, mușchi - la o adâncime de câțiva centimetri. Acest lucru este necesar, de exemplu, pentru a obține imagini ale tumorilor.

Îmbunătățirea camerelor de recepție THz va face posibilă obținerea de imagini ale suprafețelor ascunse sub straturi de tencuială sau vopsea, care, la rândul lor, vor face posibilă restabilirea „fără contact” a aspectului original al picturilor [29] .

În producție, radiația THz poate fi utilizată pentru a controla calitatea produselor fabricate și a monitoriza echipamentele. De exemplu, este posibil să se inspecteze produse în recipiente din plastic, hârtie, transparente în spectrul THz, dar opace în vizibil.

Se ia în considerare posibilitatea dezvoltării sistemelor de comunicație THz de mare viteză [30] și locație THz pentru altitudini mari și spațiu.

Cercetare promițătoare

Cercetările în domeniul spectroscopiei THz a diferitelor substanțe sunt de mare importanță, ceea ce va face posibilă găsirea de noi aplicații pentru acestea.

Aproape toată radiația THz ajunge la suprafața Pământului de la Soare. Cu toate acestea, datorită absorbției puternice de către vaporii de apă atmosferici, puterea acestuia este neglijabilă. Prin urmare, de interes deosebit este studiul efectului radiației THz asupra unui organism viu [31] .

Este de interes să se studieze spectrul de radiații THz de la obiectele astrofizice, ceea ce va face posibilă obținerea mai multor informații despre acestea . În Anzii chilieni, la o altitudine de 5100 m, funcționează primul telescop din lume , care primește radiații de la Soare și alte corpuri cosmice în intervalul 0,2-1,5 mm.

Sunt în curs de dezvoltare în domeniul elipsometriei THz [32] [33] , holografiei și studiilor de interacțiune a radiației THz cu metale și alte substanțe. Este studiată propagarea și interacțiunea plasmonilor THz în ghiduri de undă de diferite configurații. Baza circuitelor THz este în curs de dezvoltare; primele tranzistoare THz au fost deja fabricate . Aceste studii sunt necesare, de exemplu, pentru a crește frecvența de operare a procesoarelor la intervalul THz.[ clarifica ]

Studiul radiației magnetobremsstrahlung THz va oferi informații despre structura materiei într-un câmp magnetic puternic (4-400 T).

De asemenea, la ordinul serviciilor militare și speciale se desfășoară dezvoltări active privind radarele teraherți și sistemele de imagistică radar-optică care funcționează în intervalul teraherți, inclusiv personal, care este un dispozitiv radar-optic bazat pe un radar teraherți, pe ecranul căruia imaginea este afișată în intervalul de teraherți. Utilizarea radiației terahertzi în instrumentele de vizualizare optică-radar poate fi utilizată pentru a crea următorul tip de dispozitive de vedere pe timp de noapte , împreună cu alte metode implementate, cum ar fi un tub intensificator de imagine , o cameră cu infraroșu, o cameră cu ultraviolete.

Note

1. ↑ Nomenclatura benzilor de frecvență și lungimi de undă utilizate în telecomunicații . ITU . Consultat la 20 februarie 2013. Arhivat din original pe 31 octombrie 2013. (nedefinit)
2. ↑ Articolul 2.1: Benzi de frecvență și lungimi de undă // Regulamente radio. - 2016. - Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor , 2017.
3. ↑ GOST 24375-80. Comunicare radio. Termeni și definiții . Preluat la 20 octombrie 2017. Arhivat din original la 5 septembrie 2016. (nedefinit)
4. ↑ R. G. Mirimanov. Unde milimetrice și submilimetrice. - M .: ed. în. Literatură, 1959.
5. ↑ R. A. Valitov, S. F. Dyubko, V. V. Kamyshan și colab., Technique of submilimeter waves. - M . : Sov. Radio, 1969.
6. ↑ Yun Shik Lee. Principiile științei și tehnologiei Terahertz. — Springer, 2009.
7. ↑ Kiyomi Sakai (Ed.). Optoelectronica Terahertz. — Springer, 2005.
8. ↑ M. Yu. Glyavin, A. G. Luchinin și G. Yu. Golubiatnikov, PRL 100, 015101 (2008) „Generarea radiației coerente de 1,5 kW, 1 THz dintr-un girotron cu câmp magnetic pulsat”.
9. ↑ Laserele cu electroni liberi: o nouă etapă de dezvoltare Arhivată 5 martie 2016 la Wayback Machine . „Știința în Siberia”, N 50 (2785) 23 decembrie 2010.
10. ↑ Plutirea neliberă a electronilor liberi Arhivat 17 iulie 2010 la Wayback Machine .
11. ↑ GL Carr*, Michael C. Martin†, Wayne R. McKinney†, K. Jordan‡, George R. Neil‡ & GP Williams‡, NATURE, VOL 420, 14 NOIEMBRIE 2002 „Radiția terahertz de mare putere de la electroni relativiști”
12. ↑ Y.-L. MATHIS, B. GASHAROVA și D. MOSS, Journal of Biological Physics 29: 313–318, 2003, „Radiația Terahertz la ANKA, noua sursă de lumină a sincrotronului din Karlsruhe”.
13. ↑ GL CARR, MC MARTIN, WR MCKINNEY, K. JORDAN, GR NEIL și GP WILLIAMS, Journal of Biological Physics 29: 319-325, 2003. „Surse de radiații THz de foarte mare putere”
14. ↑ R. Köhler și colab. Terahertz semiconductor-heterostructură  laser  // Natura . - 2002. - Vol. 417 . - P. 156-159 . - doi : 10.1038/417156a . Arhivat din original pe 6 iulie 2008.
15. ↑ Masashi Tachiki,1 Shouta Fukuya,2 și Tomio Koyama, PRL 102, 127002 (2009) „Mecanism of Terahertz Electromagnetic Wave Emission from Intrinsic Josephson Junctions”
16. ↑ Harold A. Zahl și Marcel J.E. Golay, Re. sci. Inst. 17, 11, noiembrie 1946, „Detectorul pneumatic de căldură”
17. ^ TW Kenny și JK Reynolds, JA Podosek , și colab., RevSciInstrum_67_112, „Senzori infraroșii micromachined folosind traductoare de deplasare de tunel”
18. ↑ Demonstrarea sensibilității optice ridicate în bolometrul cu electroni fierbinți în infraroșu îndepărtat. Aplic. Fiz. Lett. 98, 193503 (2011); doi:10.1063/1.3589367 (3 pagini)  (downlink)
19. ↑ EN Grossman, „Antene litografice pentru frecvențe submilimetrice și infraroșii”
20. ↑ Masahiko Tani și colab., Jurnalul Internațional de Unde Infraroșii și Milimetrice, Voi. 27, nr. 4 aprilie 2006 NOVEL TERAHERTZ ANTENE FOTOCONDUCTIVE
21. ^ KA McIntosh, ER Brown, ApplPhysLett_73_3824 , „Terahertz photomixing with diode lasers in low-temperature-grown GaAs”
22. ↑ W. Porterfield, JL Hesler, et al., APPLIED OPTICS, voi. 33, nr. 25, 1994, Filtre trece-bandă rezonante cu plasă metalică pentru infraroșu îndepărtat
23. ↑ Cecilie Rønne, Per-Olof Åstrand și Søren R. Keiding, PRL,VOL 82, NUMERUL 14, 1999, THz Spectroscopy of Liquid H2O and D2O
24. ↑ Grischkowsky, S0ren Keiding, et al., J. Opt. soc. A.m. B/Vol. 7, nr. 10, 1990, Spectroscopie în domeniul timpului în infraroșu îndepărtat cu fascicule terahertzi de dielectrici și semiconductori
25. ↑ Spectroscopie submilimetrică . Preluat la 22 iulie 2010. Arhivat din original la 22 martie 2012. (nedefinit)
26. ↑ Tadar . Preluat la 22 iulie 2010. Arhivat din original la 1 mai 2012. (nedefinit)
27. ↑ AJ Huber,†,‡ F. Keilmann, et. Al, SCRISORI NANO 2008 Vol. 8, nr. 11, Nanoscopie în câmp apropiat în teraherți a purtătorilor mobili în nanodispozitive cu un singur semiconductor
28. ↑ S. Wang și X. C. Zhang, J. Phys. D:Aplic. Fiz. 37 (2004), Tomografie cu teraherți în puls
29. ↑ Arta ascunsă ar putea fi dezvăluită de un nou dispozitiv Terahertz Arhivat la 26 noiembrie 2010 la Wayback Machine Newswise, preluat la 21 septembrie 2008
30. ^ R. Piesiewicz , M. Jacob, M. Koch, J. Schoebel și T. Kürner, Analiza performanței sistemelor viitoare de comunicații fără fir multi-gigabit la frecvențe THz cu antene foarte directive în medii interioare realiste, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronică, Vol. 14, nr. 2 martie/aprilie 2008
31. ↑ Usanov D. A., Skripal A. V., Usanov A. D., Rytik A. P. - Saratov: Editura Sarat. Universitatea, 2007., ASPECTE BIOFIZICE ALE IMPACTULUI CÂMPURILOR ELECTROMAGNETICE
32. ↑ T. Hofmann, U. Schade, et al., REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 77, 063902 2006, Terahertz magneto-opptic generalized elipsometry using synchrotron and blackbody radiation
33. ↑ Ranxi Zhang și colab., APPLIED OPTICS, voi. 47, nr. 34, 2008, Informații de polarizare pentru imagistica în teraherți

Literatură

• Bratman V. L., Litvak A. G. , Suvorov E. V. Stăpânirea gamei de teraherți: surse și aplicații // Phys. — 2011.
• AA Angeluts, AV Balakin, MGEvdokimov, MN Esaulkov, MMNazarov, IAOzheredov, DA Sapozhnikov, PMSolyankin, OPCherkasova, APShkurinov, „Răspunsuri caracteristice ale sistemelor biologice și la scară nanometrică în intervalul de frecvență teraherți”, Quantum Electronics, v. 44, N7, pp. 614-632, 2014, DOI:10.1070/QE2014v044n07ABEH015565.
• Generarea și amplificarea semnalelor în intervalul teraherți: col. monografie / ed. A. E. Hramova, A. G. Balanova, V. D. Eremki, V. E. Zapevalov, A. A. Koronovsky. Saratov: Sarat. stat tehnologie. un-t, 2016. 460 p. ISBN 978-5-7433-3013-3

Link -uri

• Gareev Gazinur Ziyatdinovich, Luchinin Viktor Viktorovich. Utilizarea radiațiilor THz pentru a asigura viața umană  // Biotehnosferă. - 2014. - Emisiune. 6 (36) . — p. 71–79 . — ISSN 2073-4824 .