Terahertzstrålning (eller terahertzstrålning ), THz-strålning , submillimeterstrålning , submillimetervågor - elektromagnetisk strålning , vars frekvensspektrum är beläget mellan det infraröda och mikrovågsområdet . Inkluderar elektromagnetiska vågor i det ITU -definierade frekvensområdet 0,3-3 THz [1] [2] , även om den övre gränsen för terahertzstrålning är något godtycklig och i vissa källor anses den vara 30 THz. Frekvensområdet som definieras av ITU motsvarar intervallet för decimillimetervågor, 1-0,1 mm. Samma definition av vågområdet ges av GOST24375-80 och hänvisar dessa vågor till intervallet av hyperhöga frekvenser [3] .
Terahertzstrålning är icke- joniserande , passerar lätt genom de flesta dielektrika, men absorberas starkt av ledande material och vissa dielektrika. Till exempel är trä, plast, keramik genomskinligt för honom, men metall och vatten är det inte.
Vetenskapen och tekniken för submillimetervågor började utvecklas aktivt sedan 1960- och 1970-talen, när de första källorna och mottagarna för sådan strålning blev tillgängliga [4] [5] . Sedan början av 2000-talet är detta en riktning som utvecklas snabbt [6] [7] , som har stora utsikter inom olika branscher.
En av de första som utvecklades var elektrovakuumpulsade strålkällor med låg effekt, såsom BWO , orotron . Sedan mer kraftfulla källor (upp till tiotals kW) - FEL , gyrotron . En av de utvecklade gyratronerna hade alltså en effekt på 1,5 kW vid en frekvens på 1 THz i en puls med en varaktighet på 50 μs, medan verkningsgraden var 2,2 % [8] . Bland de kraftfulla källorna till terahertzstrålning är Novosibirsk terahertz FEL med en medeleffekt på 500 W [9] [10] .
Nyligen har linjäracceleratorer och synkrotroner använts som THz-källor.[ förtydliga ] [11] [12] . I [13] presenteras en högeffekts pulsad THz-strålningskälla (genomsnitt, 20 W och topp, ~1 MW).
Strålningen från ovanstående källor är bremsstrahlung, den kommer från elektroner som rör sig snabbt i ett elektriskt eller magnetiskt fält av en speciell konfiguration i en vakuumkammare.
Källan till lågeffekts THz-strålning är en kvantoptisk generator ( laser ). Fram till slutet av 1900-talet var lasrar för den avlägsna IR-regionen skrymmande och ineffektiva, så utvecklingen av en ny generations system krävdes. Den så kallade kvantkaskadprincipen för THz-lasergenerering realiserades först 1994. Problemet var dock att det aktiva mediet, i vilket THz-strålningen förekom, också absorberade den. År 2002 löstes problemet genom att införa ett flertal vågledare i det aktiva området av en flerskiktslaserkristall som tar ut THz-strålningen till utsidan. Således skapades den första kvantkaskadlasern av THz-strålning, som arbetar med en frekvens på 4,4 THz och matar ut en effekt på 2 mW [14] .
För att generera lågeffekts THz-strålning används också källor som använder den elektrooptiska effekten i en halvledarkristall. Detta kräver pulser av en femtosekund (till exempel titan-safir ) laser och en halvledarkristall med önskade egenskaper (ofta används zinktellurid ). Möjligheten att skapa THz-källor baserat på Dember-effekten övervägs .
Gunn-dioder används för att generera och detektera THz-strålning.
Det finns många verk som ägnas åt principerna för generering av THz-strålning. I [15] , till exempel, studeras emissionen av THz-strålning från Josephson-övergångar mellan supraledare teoretiskt när ström appliceras på grund av den ickestationära Josephson-effekten .
De första mottagarna kan betraktas som en bolometer och en optisk-akustisk mottagare ( Golay cell ), vars prototyp skapades på 1930-talet av Hayes, och sedan förbättrades av M. Golay på 1940-talet [16] .
Ursprungligen skapades dessa enheter för att registrera infraröd (termisk) strålning. Det visade sig att isoleringen av en svag signal i THz-regionen är omöjlig utan termisk brusdämpning. Därför användes bolometrar kylda till temperaturer på flera kelviner senare som THz-mottagare.
För att detektera THz-strålning används även radiometrar , vars känsliga element är tillverkat på basis av ett pyroelektriskt ( ferroelektriskt ). Litiumtantalatplattor (LiTaO 3 ) fungerar effektivt. Tekniska egenskaper hos moderna pyromottagare och bolometrar kan ses till exempel här
Det finns ett experimentellt prov av den mottagande kammaren, vars funktionsprincip är baserad på mätning av tunnelströmmen från de känsliga membranen av elementen i den mottagande matrisen [17] .
Mottagarna som beskrivs ovan är icke-selektiva (termiska), det vill säga de tillåter inspelning av den inbyggda signaleffekten inom det område som bryts av det optiska systemet framför mottagaren utan att specificera THz-strålningsspektrumet. Brusekvivalenteffekt ( NEP ) för de bästa termiska mottagarna ligger i intervallet 10 −18 —10 −19 W/Hz 1/2 [18] .
Selektiva THz-mottagare inkluderar kameror som använder fotomixning , Pockels-effekt , elektriska fältsvängningar (i Gunn-dioder ). Fotoblandning utförs på ytan av metallantenner [19] [20] , i halvledarkristaller [21] , tunna supraledande filmer. Som ett resultat erhålls en signal vid skillnadsfrekvensen, som analyseras med konventionella metoder. Pockels-effekten realiseras i halvledarkristaller, till exempel i en galliumarsenid (GaAs) kristall.
Det finns ett ganska stort antal THz-strålningsmottagare, och än i dag pågår man efter alternativa detektionsprinciper.
Fram till nyligen var THz-området svårtillgängligt, men med utvecklingen av THz-tekniken har situationen förändrats. Nu finns det THz-spektrometrar ( Fourier-spektrometrar och monokromatorer ) som arbetar i hela THz-området.
Deras design använder några av källorna som beskrivs ovan, mottagare och optiska THz-element, såsom THz-diffraktionsgitter, plastlinser fokuseringshorn , smalbandiga resonansnätfilter [22] Det är möjligt att använda prismor och andra dispersiva element. Tekniken som används för THz-spektroskopi innehåller drag av tekniker för närliggande mikrovågs- och infrarödområden, men är unik på sitt sätt.
THz-strålning är en komponent i den termiska strålningen från olika makroskopiska objekt (som regel på den långa våglängdssvansen av spektralfördelningen). I THz-området finns det frekvenser av internivåövergångar för vissa oorganiska ämnen (vattenlinjer [23] , syre, CO, till exempel), långvågsvibrationer av gitter av joniska och molekylära kristaller , böjningsvibrationer av långa molekyler , inklusive polymerer och biopolymerer; karakteristiska frekvenser av föroreningar i dielektrikum, inklusive laserkristaller; i halvledare är dessa frekvenser som motsvarar bindningsenergierna för föroreningskomplex, excitoner , Zeeman- och Stark-övergångar i de exciterade föroreningarnas tillstånd [24] . Frekvenserna för mjuka lägen i ferroelektrik och de frekvenser som motsvarar energin för gap i supraledare ligger också i THz-området [25] .
Det är av intresse att studera magneto -bremsstrahlung (cyklotron- och synkrotronstrålning ), magnetodrift och Cherenkov-strålning i detta område, som under vissa förhållanden ger ett betydande bidrag till det totala spektrumet av THz-strålning.
THz-strålning används redan i vissa typer av ekonomiska aktiviteter och människors dagliga liv.
Så i säkerhetssystem används den för att skanna bagage och människor. Till skillnad från röntgenstrålning skadar inte THz-strålning kroppen. Den kan användas för att se metall, keramik, plast och andra föremål gömda under en persons kläder på avstånd på upp till tiotals meter, till exempel med hjälp av Tadar-systemet [26] . Våglängden för avsökningsstrålning är 3 mm.
Artikeln [27] beskriver en metod för att ta bilder av mikroskopiska föremål med hjälp av THz-strålning, på grund av vilken författarna fick rekordvärden för känslighet och upplösning.
THz tomografer [28] börjar introduceras i medicinsk praxis , med hjälp av vilka det är möjligt att undersöka de övre lagren av kroppen - hud, blodkärl, muskler - till ett djup av flera centimeter. Detta är nödvändigt för att till exempel få bilder av tumörer.
Förbättring av de mottagande THz-kamerorna kommer att göra det möjligt att få bilder av ytor gömda under lager av gips eller färg, vilket i sin tur gör det möjligt att "kontaktfritt" återställa målningarnas ursprungliga utseende [29] .
I produktionen kan THz-strålning användas för att kontrollera kvaliteten på tillverkade produkter och övervaka utrustning. Det är till exempel möjligt att inspektera produkter i plast, pappersbehållare, transparenta i THz-spektrumet, men ogenomskinliga i det synliga.
Möjligheten att utveckla höghastighets-THz-kommunikationssystem [30] och THz-lokalisering för höga höjder och rymd övervägs.
Forskning inom området THz-spektroskopi av olika ämnen är av stor betydelse, vilket kommer att göra det möjligt att hitta nya tillämpningar för dem.
Nästan all THz-strålning når jordytan från solen . Men på grund av den starka absorptionen av atmosfärisk vattenånga är dess kraft försumbar. Därför är av särskilt intresse studien av effekten av THz-strålning på en levande organism [31] .
Det är av intresse att studera spektrumet av THz-strålning från astrofysiska objekt, vilket kommer att göra det möjligt att få mer information om dem . I de chilenska Anderna, på en höjd av 5100 m, fungerar världens första teleskop , som tar emot strålning från solen och andra kosmiska kroppar i intervallet 0,2-1,5 mm.
Utveckling pågår inom området THz- ellipsometri [32] [33] , holografi och studier av interaktionen mellan THz-strålning och metaller och andra ämnen. Utbredningen och interaktionen av THz -plasmoner i vågledare av olika konfigurationer studeras. Basen för THz-kretsar håller på att utvecklas; de första THz-transistorerna har redan tillverkats . Dessa studier är nödvändiga, till exempel för att öka processorernas driftfrekvens till THz-området.[ förtydliga ]
Studiet av magnetobremsstrahlung THz-strålning kommer att ge information om materiens struktur i ett starkt magnetfält (4-400 T).
Aktiv utveckling pågår också på order av militären och specialtjänsten på terahertzradar och radaroptiska bildsystem som arbetar i terahertzområdet, inklusive personal, vilket är en radaroptisk anordning baserad på en terahertzradar, på vars skärm bilden visas i terahertzområdet. Användningen av terahertzstrålning i radaroptiska visualiseringsverktyg kan användas för att skapa nästa typ av mörkerseendeenheter , tillsammans med andra implementerade metoder, såsom ett bildförstärkarrör , en infraröd kamera, en ultraviolett kamera.
| Radiovågsband | ||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||
| elektromagnetiskt spektrum | |
|---|---|
| Synligt spektrum | |
| Mikrovågsugn | |
| radiovågor | |
| Våglängder | |