Terahertzové záření (nebo terahertzové záření ), THz záření , submilimetrové záření , submilimetrové vlny - elektromagnetické záření , jehož frekvenční spektrum se nachází mezi infračerveným a mikrovlnným rozsahem. Zahrnuje elektromagnetické vlny v ITU -definovaném frekvenčním rozsahu 0,3-3 THz [1] [2] , ačkoli horní limit pro terahertzové záření je poněkud libovolný a v některých zdrojích je považován za 30 THz. Frekvenční rozsah definovaný ITU odpovídá rozsahu decimilimetrových vln, 1-0,1 mm. Stejnou definici vlnového rozsahu uvádí GOST 24375-80 a odkazuje tyto vlny na hypervysokofrekvenční rozsah [3] .
Terahertzové záření je neionizující , snadno prochází většinou dielektrik, ale je silně absorbováno vodivými materiály a některými dielektriky. Například dřevo, plast, keramika jsou pro něj průhledné, ale kov a voda ne.
Věda a technologie submilimetrových vln se začala aktivně rozvíjet od 60. a 70. let 20. století, kdy byly k dispozici první zdroje a přijímače takového záření [4] [5] . Od počátku 21. století jde o prudce se rozvíjející směr [6] [7] , který má velkou perspektivu v různých odvětvích.
Jedním z prvních, který byl vyvinut, byly nízkovýkonové elektrovakuové pulzní zdroje záření, jako je BWO , orotron . Dále pak výkonnější zdroje (až desítky kW) - FEL , gyrotron . Jeden z vyvinutých gyratronů měl tedy výkon 1,5 kW při frekvenci 1 THz v pulzu o délce 50 μs, přičemž účinnost byla 2,2 % [8] . Mezi silné zdroje terahertzového záření patří novosibirský terahertz FEL s průměrným výkonem 500 W [9] [10] .
V poslední době se jako zdroje THz používají lineární urychlovače a synchrotrony .[ upřesnit ] [11] [12] . V [13] je prezentován vysoce výkonný pulzní zdroj THz záření (průměrný, 20 W a špičkový, ~1 MW).
Záření výše uvedených zdrojů je brzdné záření, pochází z elektronů rychle se pohybujících v elektrickém nebo magnetickém poli speciální konfigurace ve vakuové komoře.
Zdrojem nízkovýkonového THz záření je kvantový optický generátor ( laser ). Až do konce 20. století byly lasery pro vzdálenou IR oblast objemné a neefektivní, takže bylo zapotřebí vyvinout schéma nové generace. Takzvaný princip kvantové kaskády generování THz laseru byl poprvé realizován v roce 1994. Problém byl ale v tom, že aktivní médium, ve kterém se THz záření objevovalo, ho také pohlcovalo. V roce 2002 byl problém vyřešen zavedením několika vlnovodů do aktivní oblasti vícevrstvého laserového krystalu, které vyvádějí THz záření ven. Vznikl tak první kvantově kaskádový laser THz záření, pracující na frekvenci 4,4 THz a vydávající výkon 2 mW [14] .
Pro generování nízkovýkonového THz záření se také používají zdroje, které využívají elektro-optický efekt v polovodičovém krystalu. To vyžaduje pulsy femtosekundového (například titan-safírového ) laseru a polovodičový krystal s požadovanými vlastnostmi (často se používá telurid zinku ). Zvažuje se možnost vytvoření zdrojů THz založených na Dember efektu .
Pro generování a detekci THz záření se používají Gunnovy diody .
Existuje mnoho prací věnovaných principům generace THz záření. V [15] je například teoreticky studována emise THz záření z Josephsonových přechodů mezi supravodiči při aplikaci proudu v důsledku nestacionárního Josephsonova jevu .
Za první přijímače lze považovat bolometr a opticko-akustický přijímač ( Golayův článek ), jehož prototyp vytvořil ve 30. letech 20. století Hayes, ve 40. letech jej pak zdokonalil M. Golay [16] .
Zpočátku byla tato zařízení vytvořena pro registraci infračerveného (tepelného) záření. Bylo zjištěno, že izolace slabého signálu v oblasti THz není možná bez tepelného potlačení šumu. Proto byly později jako THz přijímače použity bolometry chlazené na teploty několika kelvinů.
K detekci THz záření se také používají radiometry , jejichž citlivý prvek je vyroben na bázi pyroelektrika ( feroelektrika ). Lithium tantalátové desky (LiTaO 3 ) fungují efektivně. Technické charakteristiky moderních pyro přijímačů a bolometrů si můžete prohlédnout například zde
Je zde experimentální vzorek přijímací komory, jejíž princip činnosti je založen na měření tunelovacího proudu z citlivých membrán prvků přijímací matrice [17] .
Výše popsané přijímače jsou neselektivní (tepelné), to znamená, že umožňují záznam výkonu integrálního signálu v rozsahu vyříznutém optickým systémem před přijímačem bez upřesnění spektra THz záření. Ekvivalentní výkon šumu ( NEP ) nejlepších tepelných přijímačů je v rozsahu 10 −18 —10 −19 W/Hz 1/2 [18] .
Mezi selektivní THz přijímače patří kamery, které využívají fotomixování , Pockelsův efekt , oscilace elektrického pole (u Gunnových diod ). Fotomixování se provádí na povrchu kovových antén [19] [20] , v polovodičových krystalech [21] , tenkých supravodivých vrstvách. V důsledku toho je získán signál na rozdílové frekvenci, který je analyzován konvenčními metodami. Pockelsův jev je realizován v polovodičových krystalech, například v krystalu arsenidu galia (GaAs).
Přijímačů THz záření je poměrně velké množství a dodnes se hledají alternativní principy detekce.
Donedávna byl rozsah THz obtížně dostupný, ale s rozvojem technologie THz se situace změnila. Nyní existují THz spektrometry ( Fourierovy spektrometry a monochromátory ) pracující v celém rozsahu THz.
Jejich konstrukce využívá některé z výše popsaných zdrojů, přijímače a optické THz prvky, jako jsou THz difrakční mřížky, plastové čočky zaostřovací rohy , úzkopásmové rezonanční síťové filtry [22] Je možné použít hranoly a další disperzní prvky. Technika používaná pro THz spektroskopii obsahuje vlastnosti technik pro sousední mikrovlnné a infračervené oblasti, ale je svým způsobem jedinečná.
THz záření je složkou tepelného záření různých makroskopických objektů (zpravidla na dlouhovlnném chvostu spektrálního rozložení). V oblasti THz se vyskytují frekvence meziúrovňových přechodů některých anorganických látek (čáry vody [23] , např. kyslíku, CO), dlouhovlnné vibrace mřížek iontových a molekulárních krystalů , ohybové vibrace dlouhých molekul vč. polymery a biopolymery; charakteristické frekvence nečistot v dielektriku, včetně laserových krystalů; u polovodičů jsou to frekvence odpovídající vazebným energiím komplexů nečistot, excitonů , Zeemanových a Starkových přechodů excitovaných stavů nečistot [24] . Frekvence měkkých módů ve feroelektrikách a frekvence odpovídající energii mezer v supravodičích jsou rovněž v rozsahu THz [25] .
V tomto rozsahu je zajímavé studovat magneto -bremsstrahlung (cyklotronové a synchrotronové záření ), magneto-drift a Čerenkovovo záření , které za určitých podmínek významně přispívají k celkovému spektru THz záření.
THz záření se již používá v některých typech ekonomických činností a v každodenním životě lidí.
V bezpečnostních systémech se tedy používá ke skenování zavazadel a osob. Na rozdíl od rentgenového záření THz záření nepoškozuje tělo. Lze s ním vidět kovové, keramické, plastové a další předměty skryté pod oděvem člověka na vzdálenost až desítek metrů, například pomocí systému Tadar [26] . Vlnová délka skenovacího záření je 3 mm.
Článek [27] popisuje způsob získávání snímků mikroskopických objektů pomocí THz záření, díky kterému autoři získali rekordní hodnoty citlivosti a rozlišení.
Do lékařské praxe se začínají zavádět THz tomografy [28] , s jejichž pomocí lze vyšetřovat horní vrstvy těla - kůži, cévy, svaly - do hloubky několika centimetrů. To je nutné například pro získání snímků nádorů.
Zlepšení přijímacích THz kamer umožní získat snímky povrchů skrytých pod vrstvami omítky nebo barvy, což zase umožní „bezkontaktně“ obnovit původní vzhled maleb [29] .
Ve výrobě lze THz záření využít ke kontrole kvality vyráběných produktů a monitorovacích zařízení. Například je možné kontrolovat výrobky v plastových, papírových obalech, průhledné v THz spektru, ale neprůhledné ve viditelném.
Zvažuje se možnost vývoje vysokorychlostních komunikačních systémů THz [30] a umístění THz pro velké výšky a vesmír.
Velký význam má výzkum v oblasti THz spektroskopie různých látek, který pro ně umožní najít nové aplikace.
Téměř veškeré THz záření dopadá na zemský povrch ze Slunce . Vzhledem k silné absorpci atmosférickou vodní párou je však jeho síla zanedbatelná. Zvláště zajímavé je proto studium vlivu THz záření na živý organismus [31] .
Zajímavé je studium spektra THz záření z astrofyzikálních objektů, které umožní získat o nich více informací . V chilských Andách ve výšce 5100 m funguje první dalekohled na světě , který přijímá záření ze Slunce a dalších vesmírných těles v rozsahu 0,2-1,5 mm.
Vývoj probíhá v oblasti THz elipsometrie [32] [33] , holografie a studií interakce THz záření s kovy a dalšími látkami. Studuje se šíření a interakce THz plazmonů ve vlnovodech různých konfigurací. Základ THz obvodů se vyvíjí; první THz tranzistory již byly vyrobeny . Tyto studie jsou nutné například pro zvýšení pracovní frekvence procesorů do rozsahu THz.[ upřesnit ]
Studium magnetobremsstrahlung THz záření poskytne informace o struktuře hmoty v silném magnetickém poli (4-400 T).
Na příkaz armády a speciálních služeb také probíhá aktivní vývoj na terahertzových radarech a radarově-optických zobrazovacích systémech pracujících v terahertzovém rozsahu, včetně osobních, což je radarově-optické zařízení založené na terahertzovém radaru, na jehož obrazovce obraz se zobrazuje v rozsahu terahertzů. Použití terahertzového záření v radarově-optických vizualizačních nástrojích může být použito k vytvoření dalšího typu zařízení pro noční vidění , spolu s dalšími implementovanými metodami, jako je trubice zesilovače obrazu , infračervená kamera, ultrafialová kamera.
Pásma rádiových vln | ||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
elektromagnetické spektrum | |
---|---|
Viditelné spektrum | |
Mikrovlnná trouba | |
rádiové vlny |
|
Vlnové délky |