Тераге́рцевое излуче́ние (или терагерцо́вое излучение ), ТГц-излучение , субмиллиметровое излучение , субмиллиметровые волны — электромагнитное излучение , спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонами. Включает в себя электромагнитные волны определяемого МСЭ диапазона частот 0,3—3 ТГц , хотя верхняя граница для терагерцевого излучения несколько условна и в некоторых источниках считается 30 ТГц. Определяемый МСЭ диапазон частот соответствует диапазону децимиллиметровых волн, 1—0,1 мм. Такое же определение диапазону волн даёт ГОСТ 24375-80 и относит эти волны к диапазону гипервысоких частот .

Терагерцевое 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 субмиллиметровых волн начала активно развиваться с 1960—1970-х годов, когда стали доступны первые источники и приёмники такого излучения . С начала XXI века это бурно развивающееся направление , имеющее большие перспективы в различных отраслях.

Источники излучения

Одними из первых были разработаны электровакуумные импульсные источники излучения малой мощности, такие как ЛОВ , оротрон . Затем более мощные источники (до десятков кВт) — ЛСЭ , гиротрон . Так, один из разработанных гиратронов имел мощность 1,5 кВт на частоте 1 ТГц в импульсе длительностью 50 мкс, КПД при этом составлял 2,2 % . В числе мощных источников терагерцового излучения — Новосибирский терагерцовый ЛСЭ со средней мощностью 500 Вт .

В качестве ТГц-источников с недавнего времени используются линейные ускорители и синхротроны ^{[ уточнить ]} . В работе представлен импульсный источник ТГц-излучения большой мощности (средняя — 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 XX века были громоздкими и малоэффективными, поэтому потребовалась разработка новой схемы генерации. Впервые так называемый квантово-каскадный принцип генерации ТГц-лазера был реализован в 1994 году. Однако проблемой было то, что активная среда, в которой возникало ТГц-излучение, его же и поглощала. К 2002 году проблема была решена введением в активную область многослойного кристалла лазера множества волноводов, выводящих ТГц-излучение наружу. Таким образом был создан первый квантово-каскадный лазер ТГц-излучения, работающий на частоте 4,4 ТГц и выдающий мощность 2 мВт .

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

Используют диоды Ганна для создания и регистрации ТГц-излучения.

Существует множество работ, посвящённых принципам генерации ТГц-излучения. В работе , 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 1930-х годах Хэисом, а затем усовершенствован М. Голеем в 1940-х годах .

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

Для детектирования ТГц-излучения также применяют радиометры , чувствительный элемент которых изготовлен на основе пироэлектрика ( сегнетоэлектрика ). Эффективно работают пластинки из танталата лития (LiTaO ₃ ). Технические характеристики современных пироприёмников и болометров можно посмотреть, например,

Существует экспериментальный образец приёмной камеры, принцип действия которой основан на измерении туннельного тока от чувствительных мембран элементов приёмной матрицы .

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. Эквивалентная мощность шума ( ), лучших тепловых приёмников лежит в диапазоне 10 ⁻¹⁸ —10 ⁻¹⁹ Вт/Гц ^1/2 .

К селективным ТГц-приёмникам относятся камеры, в которых используется , эффект Поккельса , колебания электрического поля (в диодах Ганна ). Фотосмешение осуществляют на поверхности металлических антенн , в полупроводниковых кристаллах , тонких сверхпроводящих плёнках. 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 ( Фурье-спектрометры и монохроматоры ), работающие во всем ТГц-диапазоне.

В их конструкции используются некоторые из описанных выше источников, приёмников и оптические ТГц-элементы, такие как дифракционные ТГц-решетки, , фокусирующие рупоры , узкополосные резонансные mesh-фильтры . 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 (как правило, на длинноволновом хвосте спектрального распределения). В ТГц-диапазоне расположены частоты межуровневых переходов некоторых неорганических веществ (линии воды , кислорода, CO, например), длинноволновых колебаний решёток ионных и молекулярных кристаллов , изгибных колебаний длинных молекул , в том числе полимеров и биополимеров; характеристические частоты примесей в диэлектриках, в том числе в лазерных кристаллах; в полупроводниках это частоты, соответствующие энергии связей примесных комплексов, экситонов , зеемановским и штарковским переходам возбуждённых состояний примесей . Частоты мягких мод в сегнетоэлектриках и частоты, соответствующие энергии щелей в сверхпроводниках, также находятся в ТГц-диапазоне .

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

Применение в хозяйственной деятельности

ТГц-излучение уже находит применение в некоторых видах хозяйственной деятельности и повседневной жизни людей.

Так, в системах безопасности оно используется 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 другие предметы на расстояниях до десятков метров, например, с помощью системы Tadar . Длина волны сканирующего излучения — 3 мм.

В статье 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 , с помощью которых можно исследовать верхние слои тела — кожу, сосуды, мышцы — до глубины в несколько сантиметров. Это нужно, например, для получения изображения опухолей.

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

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.

Рассматривается возможность разработки высокоскоростных ТГц-систем связи 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 всё 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 .

Представляет интерес изучение спектра ТГц-излучения от астрофизических объектов, что позволит получить о них . 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 , голографии, исследования взаимодействия ТГц-излучения с металлами и другими 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-диапазона. ^{[ уточнить ]}

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

Также ведутся активные разработки по заказу военных и спецслужб по терагерцовым РЛС и радиолокационно-оптическим системам визуализации, работающим в терагерцовом диапазоне, в том числе персональным, представляющим собой радиолокационно-оптический прибор на основе терагерцевой РЛС, на экране которого картинка отображается в терагерцовом диапазоне. Применение терагерцового излучения в радиолокационно-оптических средствах визуализации может быть использовано для создания очередного вида ПНВ наряду с другими реализуемыми способами, такими как ЭОП , инфракрасная камера, ультрафиолетовая камера. ^{[ источник не указан 2751 день ]}

Примечания

Литература

• Братман В. Л., Литвак А. Г. , Суворов Е. В. // УФН. — 2011.
• A.A. Angeluts, A.V. Balakin, M.G.Evdokimov,M.N. Esaulkov,M.M.Nazarov, I.A.Ozheredov, D.A. Sapozhnikov, P.M.Solyankin, O.P.Cherkasova, A.P.Shkurinov, «Characteristic responses of biological and nanoscale systems in the terahertz frequency range», Quantum Electronics, v. 44, N7, pp. 614—632, 2014, DOI:10.1070/QE2014v044n07ABEH015565.
• Генерация и усиление сигналов терагерцового диапазона: колл.монография / под ред. А. Е. Храмова, А. Г. Баланова, В. Д. Еремки, В. Е. Запевалова, А. А. Короновского. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2016. 460 с. ISBN 978-5-7433-3013-3

Ссылки

• Гареев Газинур Зиятдинович, Лучинин Виктор Викторович. // Биотехносфера. — 2014. — Вып. 6 (36) . — С. 71–79 . — ISSN .