Teraherc zračenje

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu

Teraherc (ili teraherc , također THz ) zračenje je vrsta elektromagnetnog zračenja , čiji se frekvencijski spektar nalazi između infracrvenog i mikrovalnog opsega. Granice između ovih vrsta zračenja različito su definirane u različitim izvorima. Maksimalno dozvoljeni opseg frekvencije THz je 3 · 10 11 –3 · 10 12 Hz, opseg talasnih dužina je 1–0,1 mm, respektivno. Takvi talasi se nazivaju i submilimetarski talasi.

THz zračenje je nejonizujuće , lako prolazi kroz većinu dielektrika, ali ga jako apsorbuju provodljivi materijali i neki dielektrici. Na primjer, drvo, plastika, keramika su za njega prozirni, ali metal i voda nisu.

Nauka i tehnologija THz (submm) talasa počele su da se aktivno razvijaju 60-ih – 70-ih godina XX veka, kada su postali dostupni prvi izvori i prijemnici takvog zračenja [1] [2] . Od početka XXI vijeka ovo je područje koje se brzo razvija [3] [4] , koje ima velike perspektive u raznim industrijama.

Izvori zračenja

Jedan od prvih koji su razvijeni bili su elektrovakuumski impulsni izvori zračenja mW snage, kao što su BWO , orotron . Zatim snažniji izvori (do desetina kW) - FEL , girotron . U članku [5] opisan je žirotron koji proizvodi 1,5 kW snage na frekvenciji od 1 THz u impulsu u trajanju od 50 μs. Efikasnost je 2,2%. Novosibirski teraherc FEL je najmoćniji izvor teraherc zračenja na svijetu sa prosječnom snagom od 500 W [6] [7] .

Linearni akceleratori i sinhrotroni su nedavno korišćeni kao THz izvori. [ navedite ] [8] [9] . U [10] predstavljen je impulsni izvor THz zračenja velike snage (prosjek - 20 W, a na vrhuncu - ~ 1 MW).

Zračenje iz gore navedenih izvora je kočno, dolazi od elektrona koji se kreću ubrzanom brzinom u električnom ili magnetskom polju posebne konfiguracije u vakuumskoj komori.

Izvor THz zračenja male snage je kvantni optički generator ( laser ). Sve do kraja 20. veka, daleko-IR laseri su bili glomazni i neefikasni, pa je morala biti razvijena šema nove generacije. Prvi put je 1994. godine realizovan takozvani kvantno-kaskadni princip generisanja THz lasera. Ali problem je bio u tome što ga je aktivni medij, u kojem je nastalo THz zračenje, apsorbovao. Osam godina kasnije, ovaj problem je rešen uvođenjem većeg broja talasovoda u aktivnu oblast višeslojnog laserskog kristala, koji izlaze THz zračenje napolje. Tako je 2002. godine stvoren prvi THz kvantno-kaskadni laser koji radi na frekvenciji od 4,4 THz i emituje snagu od 2 mW [11] .

Takođe, za generisanje THz zračenja male snage, koriste se izvori koji koriste elektrooptički efekat ( eng. ) u poluprovodničkom kristalu. Za to su potrebni impulsi femtosekundnog (npr. titan-safirnog ) lasera i poluvodičkog kristala sa željenim svojstvima (često se koristi cink telurid (ZnTe)). Razmatra se mogućnost stvaranja THz izvora na osnovu Demberovog efekta .

Gunn diode se koriste za stvaranje i registraciju THz zračenja.

Postoji mnogo radova posvećenih principima generisanja THz zračenja. U [12] , na primjer, emisija THz zračenja iz Josephsonovih spojeva između supravodiča je teorijski proučavana kada se primjenjuje struja zbog nestacionarnog Josephsonovog efekta .

Prijemnici zračenja

Prvi prijemnici mogu se smatrati bolometar i optičko-akustični prijemnik ( Golay cell ), čiji je prototip nastao 1930-ih. Heis, a zatim ga je poboljšao M. Golei 40-ih godina. XX vijek [13] .

U početku su ovi uređaji kreirani da registruju infracrveno (toplotno) zračenje. Utvrđeno je da je izolacija slabog signala u THz području nemoguća bez suzbijanja termičkog šuma. Stoga su bolometri ohlađeni na temperature od nekoliko Kelvina kasnije korišteni kao THz prijemnici.

Za detekciju THz zračenja koriste se i radiometri čiji je osjetljivi element napravljen na bazi piroelektrika ( feroelektrika ). Ploče litijum tantalata (LiTaO 3 ) rade efikasno. Tehničke karakteristike savremenih piroprijemnika i bolometara možete pogledati, na primjer, ovdje

Postoji eksperimentalni uzorak prijemne komore čiji se princip zasniva na mjerenju tunelske struje sa osjetljivih membrana elemenata prijemne matrice [14] .

Gore opisani prijemnici su neselektivni (termički), odnosno omogućavaju snimanje integralne snage signala u opsegu koji je presečen optičkim sistemom ispred prijemnika bez detaljisanja spektra THz zračenja. Ekvivalentna snaga šuma ( NEP ) najboljih termalnih detektora je u rasponu od 10 −18 –10 −19 W/Hz 1/2 [15] .

Selektivnim THz prijemnicima su kamere koje koriste fotomiksovanje ( eng. ), Pockels efekat , vibracije električnog polja (u Gunn diodama ). Fotomiješanje se vrši na površini metalnih antena [16] [17] , u poluvodičkim kristalima [18] , tankim supravodljivim filmovima. Kao rezultat, dobiva se signal na frekvenciji razlike, koji se analizira konvencionalnim metodama. Pockelsov efekat se ostvaruje u poluvodičkim kristalima, na primjer, u kristalu galij arsenida (GaAs).

Postoji prilično veliki broj prijemnika za THz zračenje, a do danas se traga za alternativnim principima detekcije.

THz spektroskopija

Do nedavno je THz opseg bio teško dostupan, ali razvojem THz tehnologije situacija se promijenila. Sada postoje THz spektrometri ( Eng. ) ( Furierovi spektrometri i monohromatori ) koji rade oko THz opsega.

Njihov dizajn koristi neke od gore opisanih izvora, prijemnika i THz optičkih elemenata, kao što su THz difrakcione rešetke, sočiva od specijalne plastike ( engleski ) , rogovi za fokusiranje i uskopojasni rezonantni mrežasti filteri [19] . Moguće je koristiti prizme i druge dispergirajuće elemente. Tehnika koja se koristi za THz spektroskopiju sadrži karakteristike tehnika za susjedne mikrovalne i IR opsege, ali je jedinstvena na svoj način.

THz zračenje je komponenta toplotnog zračenja različitih makroskopskih objekata (po pravilu, na dugovalnom repu spektralne distribucije). Opseg THz sadrži frekvencije međurazinskih prijelaza nekih neorganskih supstanci (vode [20] , kisik, CO, na primjer), dugovalne vibracije rešetke ionskih i molekularnih kristala , vibracije savijanja dugih molekula , uključujući polimere i biopolimeri; karakteristične frekvencije nečistoća u dielektricima, uključujući laserske kristale; u poluvodičima, to su frekvencije koje odgovaraju energijama veze kompleksa nečistoća, eksitona i Zeemanovih i Starkovih prijelaza pobuđenih stanja nečistoća [21] . Frekvencije mekih modova u feroelektricima i frekvencije koje odgovaraju energiji praznina u supravodnicima su također u THz opsegu [22] .

Zanimljivo je da studira magnetne kočenja (ciklotron i sinhrotron zračenje ), magnetodrift i Cherenkov zračenja u ovom području, koji, pod određenim uslovima, dati značajan doprinos ukupnom spektru THz zračenja.

Primjena u privrednim djelatnostima

THz zračenje se već koristi u nekim vrstama ekonomskih aktivnosti i svakodnevnom životu ljudi.

Sigurnosni sistemi koriste THz (mm) zračenje za skeniranje prtljaga i ljudi. Za razliku od rendgenskog zračenja, THz zračenje ne šteti tijelu. Uz njegovu pomoć moguće je vidjeti metalne, keramičke, plastične i druge predmete skrivene ispod odjeće osobe na udaljenosti do desetina metara, na primjer, pomoću sistema Tadar [23] . Talasna dužina skenirajućeg zračenja je 3 mm.

U članku [24] opisana je metoda za dobivanje slike mikroskopskih objekata korištenjem THz zračenja, zahvaljujući kojoj su autori dobili rekordne vrijednosti osjetljivosti i rezolucije.

U medicinsku praksu uvode se THz tomografi [25] uz pomoć kojih je moguće pregledati gornje slojeve tijela - kožu, krvne sudove, mišiće - do dubine od nekoliko cm. To je potrebno npr. da dobijete sliku tumora.

Poboljšanje THz prijemnih kamera omogućit će dobijanje slika površina skrivenih ispod slojeva gipsa ili boje, što će zauzvrat omogućiti „beskontaktno“ obnavljanje izvornog izgleda slika [26] .

U proizvodnji THz zračenje može se koristiti za kontrolu kvaliteta proizvoda, praćenje opreme. Na primjer, možete pregledati proizvode u plastičnim, papirnim posudama, prozirnim u THz spektru, ali neprozirnim u vidljivom.

Razmatra se mogućnost razvoja THz komunikacionih sistema velike brzine [27] i THz lokacije za velike visine i prostor.

Napredna istraživanja

Istraživanja u oblasti THz spektroskopije različitih supstanci su od velikog značaja, što će omogućiti da se pronađu nove primene za njih.

Gotovo svo THz zračenje dopire do površine Zemlje sa Sunca. Međutim, zbog jake apsorpcije atmosferske vodene pare, njena snaga je zanemarljiva. Stoga je od posebnog interesa proučavati učinak THz zračenja na živi organizam [28] .

Zanimljivo je proučavanje spektra THz zračenja astrofizičkih objekata, što će omogućiti da se o njima dobije više informacija . U čileanskim Andima, na visini od 5100 m, radi prvi teleskop na svijetu koji prima zračenje od Sunca i drugih kosmičkih tijela u rasponu od 0,2-1,5 mm.

U toku je razvoj u oblasti THz elipsometrije [29] [30] , holografije, proučavanja interakcije THz zračenja sa metalima i drugim supstancama. Propagiranje i interakcije THz plazmoni u talasovodima različitih konfiguracija je studirao. Baza THz kola se razvija; prvi THz tranzistori su već proizvedeni. Ove studije su neophodne, na primjer, za povećanje radne frekvencije procesora na THz. [ pojasniti ]

Ispitivanje THz magnetnog kočnog zračenja će dati informacije o strukturi supstance u jakom magnetnom polju (4–400 T).

Takođe, u toku je aktivan razvoj na zahtjev vojnih i specijalnih službi teraherc radara i radarsko-optičkih sistema za snimanje koji rade u terahercnom opsegu, uključujući i personalni, koji je radarsko-optički uređaj zasnovan na teraherc radaru, na ekran na kojem se slika prikazuje u terahercnom opsegu. Korištenje teraherc zračenja u radarsko-optičkim vizualizacijskim sredstvima može se koristiti za kreiranje drugog tipa uređaja za noćno osmatranje, uz druge implementirane metode, kao što su cijev za pojačavanje slike , infracrvena kamera, ultraljubičasta kamera. [ izvor nije naveden 1837 dana ]

Bilješke (uredi)

  1. R. G. Mirimanov. Milimetarski i submilimetarski talasi. - M .: ed. in. književnost, 1959.
  2. R. A. Valitov, S. F. Dyubko, V. V. Kamyshan i dr. Tehnika submilimetarskih talasa. - M .: Sov. Radio, 1969.
  3. Yun-Shik Lee. Principi teraherc nauke i tehnologije. - Springer, 2009.
  4. Kiyomi Sakai (ur.). Teraherc Optoelectronics. - Springer, 2005.
  5. M.Yu. Gljavin, AG Lučinin i G. Yu. Golubiatnikov, PRL 100, 015101 (2008) "Generacija koherentnog zračenja od 1,5 kW, 1 THz od žirotrona sa impulsnim magnetnim poljem".
  6. Laseri na slobodnim elektronima: nova faza razvoja . "Nauka u Sibiru", N 50 (2785) 23.12.2010.
  7. Neslobodno plutanje slobodnih elektrona Arhivirano 17. jula 2010. na Wayback Machine .
  8. GL Carr *, Michael C. Martin †, Wayne R. McKinney †, K. Jordan ‡, George R. Neil ‡ & GP Williams ‡, NATURE, VOL 420, 14. NOVEMBRA 2002. "teraherc zračenje velike snage" relativističkih elektroda
  9. Y.-L. MATHIS, B. GASHAROVA i D. MOSS, Journal of Biological Physics 29: 313-318, 2003, "Teraherc zračenje na ANKA, novi sinhrotronski izvor svjetlosti u Karlsruheu."
  10. ^ GL CARR, MC MARTIN, WR MCKINNEY, K. JORDAN, GR NEIL i GP WILLIAMS, Journal of Biological Physics 29: 319-325, 2003. "Izvori zračenja THz vrlo velike snage"
  11. R. Köhler et al. Teraherc semiconductor-heterostructure laser (eng.) // Priroda . - 2002. - Vol. 417 . - P. 156-159 . - doi : 10.1038 / 417156a .
  12. Masashi Tachiki, 1 Shouta Fukuya, 2 i Tomio Koyama, PRL 102, 127002 (2009) "Mehanizam Teraherc elektromagnetne emisije iz unutarnjih Josephsonovih spojeva"
  13. Harold A. Zahl i Marcel JE Golay, Re. Sci. Inst. 17, 11, novembar 1946, "Pneumatski detektor toplote"
  14. TW Kenny i JK Reynolds, JA Podosek, et al., RevSciInstrum_67_112, "Mikromašinski infracrveni senzori koji koriste pretvarače pomaka tunela"
  15. Demonstracija visoke optičke osjetljivosti u dalekom infracrvenom bolometru s vrućim elektronima. Appl. Phys. Lett. 98,193503 (2011); doi: 10.1063 / 1.3589367 (3 stranice) (nedostupan link)
  16. EN Grossman, "Litografske antene za submilimetarske i infracrvene frekvencije"
  17. Masahiko Tani et al., International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 27, br. 4, april 2006, NOVEL TERAHERTZ FOTOPROVODNE ANTENE
  18. KA McIntosh, ER Brown, ApplPhysLett_73_3824, "Teraherc fotomiješanje s diodnim laserima u GaAs-u uzgojenom na niskoj temperaturi"
  19. W. Porterfield, JL Hesler, et al., APPLIED OPTICS, Vol. 33, br. 25, 1994, Rezonantni metal-mrežasti pojasni filteri za daleko infracrveno
  20. Cecilie Rønne, Per-Olof Åstrand i Søren R. Keiding, PRL, VOL 82, BROJ 14, 1999, THz spektroskopija tečne H2O i D2O
  21. Grischkowsky, S0ren Keiding, et al., J. Opt. Soc. Am. B / Vol. 7, br. 10, 1990, Far-infracrvena spektroskopija vremenske domene sa teraherc snopovima dielektrika i poluprovodnika
  22. Submilimetarska spektroskopija . Pristupljeno 22. jula 2010.
  23. Tadar neodređeno . Pristupljeno 22. jula 2010. Arhivirano 1. maja 2012.
  24. ^ AJ Huber, †, ‡ F. Keilmann, et. Al, NANO PISMA 2008 Vol. 8, br. 11, Teraherc nanoskopija bliskog polja mobilnih nosača u pojedinačnim poluprovodničkim nanouređajima
  25. S.Wang i XC Zhang, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004), Pulsna terahercna tomografija
  26. Novi Terahertz uređaj Newswise bi mogao otkriti skrivenu umjetnost, preuzeto 21. septembra 2008.
  27. R. Piesiewicz, M. Jacob, M. Koch, J. Schoebel i T. Kürner, Analiza performansi budućih multi-gigabitnih bežičnih komunikacionih sistema na frekvencijama THz sa visoko usmjerenim antenama u realističnim zatvorenim okruženjima, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 14, br. 2, mart / april 2008
  28. Usanov D.A., Skripal A.V., Usanov A.D., Rytik A.P. - Saratov: Saratovska izdavačka kuća. Univerzitet, 2007., BIOFIZIČKI ASPEKTI UTICAJA ELEKTROMAGNETSKIH POLJA
  29. T. Hofmann, U. Schade, et al., PREGLED NAUČNIH INSTRUMENTA 77, 063902 2006, Teraherc magneto-optička generalizirana elipsometrija korištenjem sinhrotronskog i crnog tijela zračenja
  30. Ranxi Zhang et al., PRIMIJENJENA OPTIKA, Vol. 47, br. 34, 2008, Informacije o polarizaciji za terahercno snimanje

Književnost

  • Bratman V.L., Litvak A.G. , Suvorov E.V. Razvoj terahercnog opsega: izvori i primjene // Phys. - 2011.
  • AA Angeluts, AV Balakin, MGEvdokimov, MN Esaulkov, MMNazarov, IAOžeredov, DA Sapožnikov, P.M.Soljankin, OPCherkasova, A.P.Škurinov, “Karakteristični odgovori bioloških i nanorazmjernih sistema u terahercnom frekvencijskom opsegu”, Kvantna elektronika, v. 44, N7, str. 614-632, 2014, DOI: 10.1070 / QE2014v044n07ABEH015565.
  • Generiranje i pojačanje teraherc signala: zbirka monografija / ur. A.E. Khramova, A.G. Balanova, V.D. Eremki, V.E. Zapevalova, A.A. Koronovski. Saratov: Sarat. stanje tech. un-t, 2016.460 str. ISBN 978-5-7433-3013-3