Терагерцевое излучение

Электромагнитное излучение
Синхротронное
Циклотронное
Тормозное
Тепловое
Монохроматическое
Черенковское
Переходное
Радиоизлучение
Микроволновое
Терагерцевое
Инфракрасное
Видимое
Ультрафиолетовое
Рентгеновское
Гамма-излучение
Ионизирующее
Реликтовое
Магнито-дрейфовое
Двухфотонное
Спонтанное
Вынужденное

Тераге́рцевое (ТГц) излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Границы между этими видами излучения в разных источниках определяются по-разному. Максимальный допустимый диапазон ТГц частот 10¹¹—10¹³ Гц, диапазон длин волн 3—0,03 мм соответственно. Такие волны ещё называются субмиллиметровыми, если длина волны попадает в диапазон 1—0,1 мм.

ТГц 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 ТГц (субмм) волн начала активно развиваться с 60—70-х годов 20-го века, когда стали доступны первые источники и приёмники такого излучения^[1][2]. Сейчас это бурно развивающееся направление^[3][4], имеющее большие перспективы в разных отраслях народного хозяйства.

Источники излучения

Одними из первых были разработаны электровакуумные импульсные источники излучения мВт мощности, такие как ЛОВ, оротрон. Затем более мощные источники (до десятков кВт) — ЛСЭ, гиротрон. В статье^[5] описывается гиротрон, выдающий 1,5 кВт мощности на частоте 1 ТГц в импульсе длительностью 50 мкс. КПД при этом составляет 2,2 %. Новосибирский терагерцовый ЛСЭ — самый мощный в мире источник терагерцового излучения со средней мощностью 0.5 кВт^[6][7].

В качестве ТГц источников с недавнего времени используются линейные ускорители и синхротроны^{[уточнить] [8][9]}. В работе^[10] представлен импульсный источник ТГц излучения большой мощности (средней — 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 20-го века лазеры для дальней ИК области были громоздкими и малоэффективными, поэтому потребовалась разработка новой схемы генерации. Впервые т. н. квантово-каскадный принцип генерации ТГц лазера был реализован в 1994 г. Но проблемой было то, что активная среда, в которой возникало ТГц излучение, его же и поглощала. Спустя 8 лет эта проблема была решена введением в активную область многослойного кристалла лазера множества волноводов, выводящих ТГц излучение наружу. Таким образом, в 2002 г. был создан первый ТГц квантово-каскадный лазер, работающий на частоте 4,4 ТГц и выдающий мощность 2 МВт. ^[11]

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

Используют диоды Ганна для создания и регистрации ТГц излучения.

Существует множество работ, посвященных принципам генерации ТГц излучения. В работе^[12], например, теоретически исследуется эмиссия ТГц излучения от Джозефсоновских переходов между сверхпроводниками при подаче тока вследствие нестационарного эффекта Джозефсона.

Приёмники излучения

Первыми приёмниками могут считаться болометр и оптико-акустический приёмник (ячейка Голея), прототип которого был создан в 30-х гг. Хэисом, а затем усовершенствован М. Голеем в 40-х гг. 20-го века^[13].

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

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^[14].

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. Мощность, эквивалентная шуму (NEP), лучших тепловых приёмников лежит в диапазоне 10⁻¹⁸—10⁻¹⁹ Вт/Гц^1/2[15].

К селективным ТГц приемникам относятся камеры, в которых используется фотосмешение, эффект Поккельса, колебания электрического поля (в диодах Ганна). Фотосмешение осуществляют на поверхности металлических антенн^[16][17], в полупроводниковых кристаллах^[18], тонких сверхпроводящих пленках. 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

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

В их конструкции используются некоторые из описанных выше источников, приёмников и ТГц оптические элементы, такие как ТГц дифракционные решетки, линзы, фокусирующие рупоры, узкополосные резонансные mesh-фильтры^[19]. 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 (на хвосте распределения М. Планка для АЧТ), наибольшее для горячих тел, таких как звезды. В ТГц диапазоне расположены частоты межуровневых переходов некоторых неорганических веществ (линии воды^[20], кислорода, CO, например), длинноволновых колебаний решеток ионных и молекулярных кристаллов, изгибных колебаний длинных молекул, в том числе полимеров и биополимеров; характеристич. частоты примесей в диэлектриках, в том числе в лазерных кристаллах; в полупроводниках это частоты, соотв. энергии связей примесных комплексов, экситонов, зеемановским и штарковским переходам возбуждённых состояний примесей^[21]. Частоты мягких мод в сегнетоэлектриках и частоты, соответствующие энергии щелей в сверхпроводниках, также находятся в ТГц диапазоне^[22].

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

Применение в народном хозяйстве

ТГц излучение уже находит применение в некоторых отраслях народного хозяйства и повседневной жизни людей.

В системах безопасности используется ТГц (мм) излучение 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 др. предметы на расстояниях до десятков метров. На рисунке справа представлено изображение, сделанное с помощью системы Tadar^[23]. Длина волны сканирующего излучения — 3 мм.

В статье^[24] 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^[25], с помощью которых можно исследовать верхние слои тела — кожу, сосуды, мышцы — до глубины в несколько см. Это нужно, например, для получения изображения опухолей.

Совершенствование ТГц приёмных камер позволит получать снимки поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что, в свою очередь, сделает возможным «бесконтактное» восстановление первоначального облика произведений живописи^[26].

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. См.Terahertz Technology

Рассматривается возможность разработки высокоскоростных ТГц систем связи^[27] и ТГц локации для больших высот и космоса.

Перспективные исследования

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

На поверхность Земли практически все 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^[28].

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^[29][30], голографии, исследования взаимодействия ТГц излучения с металлами и др. 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.

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

В электронном журнале Terahertz Science and Technology легко найти информацию по этим и другим исследованиям в области ТГц науки и техники.

Примечания

1. ↑ Р. Г. Мириманов Миллиметровые и субмиллиметровые волны. — М.: изд. ин. литературы, 1959.
2. ↑ Р. А. Валитов, С. Ф. Дюбко, В. В. Камышан и др Техника субмиллиметровых волн. — М.: Сов. Радио, 1969.
3. ↑ Yun-Shik Lee Principles of Terahertz Science and Technology. — Springer, 2009.
4. ↑ Kiyomi Sakai (Ed.) Terahertz Optoelectronics. — Springer, 2005.
5. ↑ 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».
6. ↑ Лазеры на свободных электронах: новый этап развития. "Наука в Сибири", N 50 (2785) 23 декабря 2010.
7. ↑ Несвободное плавание свободных электронов.
8. ↑ 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»
9. ↑ 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».
10. ↑ 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»
11. ↑ Mikhail A. Belkin, Federico Capasso, et al., Room temperature terahertz source based on intracavity difference-frequency generation // Appl. Phys. Lett. 92, 201101. 19 May 2008
12. ↑ Masashi Tachiki,1 Shouta Fukuya,2 and Tomio Koyama, PRL 102, 127002 (2009) «Mechanism of Terahertz ElectromagneticWave Emission from Intrinsic Josephson Junctions»
13. ↑ Harold A. Zahl and Marcel J.E. Golay, Re. Sci. Inst. 17, 11, November 1946, «Pneumatic Heat Detector»
14. ↑ T. W. Kenny and J. K. Reynolds, J. A. Podosek, et al., RevSciInstrum_67_112, «Micromachined infrared sensors using tunneling displacement transducers»
15. ↑ Demonstration of high optical sensitivity in far-infrared hot-electron bolometer. Appl. Phys. Lett. 98, 193503 (2011); doi:10.1063/1.3589367 (3 pages)
16. ↑ E. N. Grossman, «Lithographic Antennas for Submillimeter and Infrared Frequencies»
17. ↑ Masahiko Tani et al.,International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 27, No. 4, April 2006, NOVEL TERAHERTZ PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS
18. ↑ K. A. McIntosh, E. R. Brown, ApplPhysLett_73_3824, «Terahertz photomixing with diode lasers in low-temperature-grown GaAs»
19. ↑ W. Porterfield, J. L. Hesler, et al., APPLIED OPTICS, Vol. 33, No. 25 , 1994, Resonant metal-mesh bandpass filters for the far infrared
20. ↑ Cecilie Rønne, Per-Olof Åstrand, and Søren R. Keiding, PRL,VOL 82, NUMBer 14, 1999, THz Spectroscopy of Liquid H2O and D2O
21. ↑ 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
22. ↑ Субмиллиметровая спектроскопия. Архивировано из первоисточника 1 мая 2012. Проверено 22 июля 2010.
23. ↑ Tadar. Архивировано из первоисточника 1 мая 2012. Проверено 22 июля 2010.
24. ↑ 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
25. ↑ S.Wang and X-C Zhang, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004), Pulsed terahertz tomography
26. ↑ Hidden Art Could be Revealed by New Terahertz Device Newswise, Retrieved on 21 September 2008
27. ↑ 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
28. ↑ Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Усанов А. Д., Рытик А. П. — Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 2007., БИОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
29. ↑ T. Hofmann, U. Schade, et al., REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 77, 063902 2006, Terahertz magneto-optic generalized ellipsometry using synchrotron and blackbody radiation
30. ↑ Ranxi Zhang et al., APPLIED OPTICS, Vol. 47, No. 34, 2008, Polarization information for terahertz imaging

Литература

• Братман В. Л., Литвак А. Г., Суворов Е. В. Освоение терагерцевого диапазона: источники и приложения // УФН. — 2011.