Terahertz sugárzás (vagy terahertz sugárzás ), THz sugárzás , szubmilliméteres sugárzás , szubmilliméteres hullámok - elektromágneses sugárzás , amelynek frekvenciaspektruma az infravörös és a mikrohullámú tartomány között helyezkedik el. Magában foglalja az elektromágneses hullámokat az ITU által meghatározott 0,3-3 THz-es frekvenciatartományban [1] [2] , bár a terahertzes sugárzás felső határa kissé önkényes, és egyes forrásokban 30 THz-nek tekintik. Az ITU által meghatározott frekvenciatartomány a decimilliméteres hullámok tartományának felel meg, 1-0,1 mm. A hullámtartomány ugyanazt a definícióját adja meg a GOST24375-80, és ezeket a hullámokat a hipermagas frekvenciák tartományára utalja [3] .
A terahertz-sugárzás nem ionizáló , könnyen átjut a legtöbb dielektrikumon, de a vezető anyagok és egyes dielektrikumok erősen elnyelik. Például a fa, a műanyag, a kerámia átlátszó számára, de a fém és a víz nem.
A szubmilliméteres hullámok tudománya és technológiája az 1960-as és 1970-es évektől kezdett aktívan fejlődni, amikor is elérhetővé váltak az ilyen sugárzás első forrásai és vevői [4] [5] . A 21. század eleje óta ez egy rohamosan fejlődő irány [6] [7] , amely számos iparágban nagy kilátásokkal rendelkezik.
Az elsők között fejlesztették ki a kis teljesítményű elektrovákuum impulzusos sugárforrásokat, mint például a BWO , az orotron . Aztán erősebb források (akár több tíz kW-ig) - FEL , girotron . Így az egyik kifejlesztett giratron 1,5 kW teljesítményű volt 1 THz-es frekvencián egy 50 μs időtartamú impulzusban, miközben a hatásfoka 2,2% volt [8] . A terahertzes sugárzás erőteljes forrásai közé tartozik a Novoszibirszk terahertzes FEL , amelynek átlagos teljesítménye 500 W [9] [10] .
Az utóbbi időben lineáris gyorsítókat és szinkrotronokat használnak THz-es forrásként.[ pontosítás ] [11] [12] . A [13] -ban egy nagy teljesítményű impulzusos THz-es sugárforrást mutatnak be (átlag, 20 W és csúcs, ~1 MW).
A fenti források sugárzása bremsstrahlung, amely egy vákuumkamrában speciális konfigurációjú elektromos vagy mágneses térben gyorsan mozgó elektronokból származik.
A kis teljesítményű THz-es sugárzás forrása egy kvantumoptikai generátor ( lézer ). A 20. század végéig a távoli IR régió lézerei terjedelmesek és nem hatékonyak voltak, ezért új generációs rendszer kidolgozására volt szükség. A THz-es lézergenerálás úgynevezett kvantumkaszkád elvét 1994-ben valósították meg először. A probléma azonban az volt, hogy az aktív közeg, amelyben a THz-es sugárzás megjelent, azt is elnyelte. 2002-re a problémát úgy oldották meg, hogy egy többrétegű lézerkristály aktív tartományába több hullámvezetőt vezettek be, amelyek kivezetik a THz-es sugárzást kifelé. Így létrejött az első THz-es sugárzású kvantum-kaszkád lézer , amely 4,4 THz-es frekvencián működik, és 2 mW teljesítményt ad [14] .
Kis teljesítményű THz-es sugárzás előállításához olyan forrásokat is használnak, amelyek elektro-optikai hatást használnak egy félvezető kristályban. Ehhez femtoszekundumos (például titán-zafír ) lézer és kívánt tulajdonságokkal rendelkező félvezető kristály impulzusaira van szükség (gyakran cink-telluridot használnak ). Megfontolandó a THz-es források Dember-effektus alapján történő létrehozásának lehetősége .
A Gunn diódákat a THz-es sugárzás generálására és érzékelésére használják .
Számos munka foglalkozik a THz-es sugárzás generálásának elveivel. A [15]-ben például elméletileg tanulmányozzák a szupravezetők közötti Josephson-csomókból származó THz-es sugárzás kibocsátását, amikor a nemstacionárius Josephson-effektus miatt áramot alkalmaznak .
Az első vevők egy bolométer és egy optikai-akusztikus vevő ( Golay cella ) tekinthetők, melynek prototípusát az 1930-as években Hayes alkotta meg, majd M. Golay fejlesztette tovább a negyvenes években [16] .
Kezdetben ezeket az eszközöket infravörös (hő) sugárzás regisztrálására hozták létre. Megállapítást nyert, hogy a gyenge jel leválasztása a THz-es tartományban termikus zajelnyomás nélkül lehetetlen. Ezért a több kelvin hőmérsékletre hűtött bolométereket később THz-es vevőként használták.
A THz-es sugárzás érzékelésére sugármérőket is használnak, amelyek érzékeny eleme piroelektromos ( ferroelektromos ) alapon készül . A lítium-tantalát lemezek (LiTaO 3 ) hatékonyan működnek. A modern pirovevők és bolométerek műszaki jellemzői például itt tekinthetők meg
A fogadókamrának van egy kísérleti mintája, melynek működési elve a fogadó mátrix elemeinek érzékeny membránjairól való alagútáram mérésén alapul [17] .
A fent leírt vevők nem szelektívek (termikusak), vagyis lehetővé teszik az integrált jelteljesítmény rögzítését az optikai rendszer által a vevő előtt kivágott tartományban anélkül, hogy részleteznék a THz-es sugárzási spektrumot. A legjobb hővevők zajegyenérték-teljesítménye (NEP) a 10-18-10-19 W / Hz 1/2 tartományba esik [ 18 ] .
A szelektív THz-es vevőkészülékek közé tartoznak azok a kamerák, amelyek fotokeverést , Pockels-effektust , elektromos térrezgéseket ( Gunn -diódákban ) használnak. A fotokeverést fémantennák [19] [20] felületén , félvezető kristályokban [21] , vékony szupravezető filmekben végezzük. Ennek eredményeként a különbség frekvenciájú jelet kapunk, amelyet hagyományos módszerekkel elemeznek. A Pockels-effektus félvezető kristályokban valósul meg, például gallium-arzenid (GaAs) kristályban.
Meglehetősen nagy számú THz-es sugárzás vevő létezik, és a mai napig keresik az alternatív észlelési elveket.
Egészen a közelmúltig a THz-es tartomány nehezen volt elérhető, de a THz-es technológia fejlődésével a helyzet megváltozott. Jelenleg a teljes THz-es tartományban működnek THz-es spektrométerek ( Fourier-spektrométerek és monokromátorok ).
Tervezésükben a fent leírt források egy részét, vevőket és optikai THz-es elemeket használnak, mint például a THz-es diffrakciós rácsokat, műanyag lencséket fókuszáló kürtöket , keskeny sávú rezonáns hálószűrőket [22] Lehetőség van prizmák és egyéb diszpergáló elemek használatára. A THz-es spektroszkópiához használt technika a szomszédos mikrohullámú és infravörös tartományok technikáinak jellemzőit tartalmazza, de a maga módján egyedülálló.
A THz-es sugárzás a különböző makroszkopikus objektumok hősugárzásának összetevője (általában a spektrális eloszlás hosszú hullámhosszú végén). A THz-es tartományban előfordulnak bizonyos szervetlen anyagok (például vízvonalak [23] , oxigén, CO), ionos és molekuláris kristályok rácsainak hosszúhullámú rezgései , hosszú molekulák hajlító rezgésének frekvenciája. polimerek és biopolimerek; a szennyeződések jellemző frekvenciái a dielektrikumokban, beleértve a lézerkristályokat is; félvezetőkben ezek a szennyező komplexek kötési energiáinak megfelelő frekvenciák, excitonok , szennyeződések gerjesztett állapotának Zeeman és Stark átmenetei [24] . A ferroelektromos anyagok lágy módusainak frekvenciái és a szupravezetők réseinek energiájának megfelelő frekvenciák szintén a THz tartományba esnek [25] .
Érdekes a magneto - bremsstrahlung (ciklotron és szinkrotron sugárzás ), a magneto-drift és a Cserenkov-sugárzás tanulmányozása ebben a tartományban, amelyek bizonyos körülmények között jelentősen hozzájárulnak a THz-es sugárzás teljes spektrumához.
A THz-es sugárzást már használják bizonyos típusú gazdasági tevékenységekben és az emberek mindennapi életében.
Tehát a biztonsági rendszerekben poggyász és emberek átvizsgálására használják. A röntgensugárzással ellentétben a THz-es sugárzás nem károsítja a szervezetet. Segítségével akár több tíz méteres távolságból is meg lehet látni az ember ruhája alá rejtett fémet, kerámiát, műanyagot és egyéb tárgyakat, például a Tadar rendszer segítségével [26] . A pásztázó sugárzás hullámhossza 3 mm.
A cikk [27] leír egy módszert mikroszkopikus objektumok képeinek THz-es sugárzással történő előállítására, amelynek köszönhetően a szerzők rekord érzékenységi és felbontási értékeket kaptak.
Az orvosi gyakorlatba kezdik bevezetni a THz-es tomográfokat [28] , amelyek segítségével több centiméter mélységig is megvizsgálható a test felső rétegei - bőr, erek, izmok. Erre például daganatképek készítéséhez van szükség.
A vevő THz-es kamerák fejlesztése lehetővé teszi a vakolat- vagy festékrétegek alatt rejtett felületek képeinek készítését, ami viszont lehetővé teszi a festmények eredeti megjelenésének „érintkezésmentes” visszaállítását [29] .
A gyártás során a THz-es sugárzás felhasználható a gyártott termékek minőségének ellenőrzésére és a berendezések monitorozására. Lehetőség van például a műanyag, papír edényben lévő termékek vizsgálatára, amelyek a THz-es spektrumban átlátszóak, de láthatóan átlátszatlanok.
Megfontolandó a nagy sebességű THz-es kommunikációs rendszerek [30] és a THz-es helymeghatározás kifejlesztése nagy magasságban és térben.
Nagy jelentőséggel bírnak a különböző anyagok THz-spektroszkópiájával kapcsolatos kutatások, amelyek új alkalmazásokat tesznek lehetővé számukra.
A Napból szinte az összes THz-es sugárzás eléri a Föld felszínét . A légköri vízgőz általi erős felszívódás miatt azonban ereje elhanyagolható. Ezért különösen érdekes a THz-es sugárzás élő szervezetre gyakorolt hatásának vizsgálata [31] .
Érdekes az asztrofizikai objektumok THz-es sugárzásának spektrumának tanulmányozása, amely lehetővé teszi további információk megszerzését róluk . A chilei Andokban, 5100 m magasságban működik a világ első teleszkópja , amely 0,2-1,5 mm-es sugárzást fogad a Napból és más kozmikus testekből.
Fejlesztések folynak a THz-es ellipszometria [32] [33] , a holográfia, valamint a THz-es sugárzás fémekkel és más anyagokkal való kölcsönhatásának vizsgálata terén. Tanulmányozzuk a THz-es plazmonok terjedését és kölcsönhatását különböző konfigurációjú hullámvezetőkben. A THz-es áramkör alapja fejlesztés alatt áll; az első THz-es tranzisztorokat már legyártották . Ezekre a vizsgálatokra például azért van szükség, hogy a processzorok működési frekvenciáját a THz tartományba emeljük.[ pontosítás ]
A magnetobremsstrahlung THz-es sugárzás vizsgálata információkat nyújt az anyag szerkezetéről erős mágneses térben (4-400 T).
A katonai és speciális szolgálatok megrendelésére aktív fejlesztések folynak a terahertz tartományban működő terahertz radarok és radar-optikai képalkotó rendszerek terén is, beleértve a személyi, amely egy terahertz radarra épülő radar-optikai eszköz, amelynek képernyőjén a a kép a terahertz tartományban jelenik meg. A terahertz sugárzás radar-optikai vizualizációs eszközökben történő felhasználása felhasználható a következő típusú éjszakai látó eszközök létrehozására , más megvalósított módszerekkel, például képerősítő csővel, infravörös kamerával, ultraibolya kamerával együtt.
| Rádióhullám-sávok | ||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||
| elektromágneses spektrum | |
|---|---|
| Látható spektrum | |
| mikrohullámú sütő | |
| rádióhullámok | |
| Hullámhosszak | |