XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Терагерцовое излучение — вид электромагнитного излучения, спектр частот которого приблизительно расположен между 0.1 ТГц до 10 ТГц, т.е. выше, чем показатели радиоволн и микроволн, но ниже инфракрасного света. Так как длина этих волн находится в диапазоне от 0.03 мм до 3 мм (чаще всего ниже 1 мм), терагерцовое излучение иногда называют субмиллиметровым излучением.

Долгое время терагерцовое излучение мало использовалось в науке и различных технологиях, в основном, потому что не было ни хороших источников, ни подходящих приемников. Поэтому, этот спектр частот часто называли «терагерцовым провалом». Но ситуация изменилась с ростом интереса в изучении терагерцовых волн, начиная с 1980-х годов, и все больше и больше исследовательских групп было вовлечено в эту область. Огромные достижения в развитии данного излучения можно объяснить развитием фотоники — области физики, которая связана с излучением, поведением последствиями существования и уничтожения фотонов, благодаря которой нашли решения для создания и обнаружения терагерцовых волн. Эти достижения дали толчок дальнейшему развитию различных областей технологий терагерцового излучения. С начала XXI века это бурно развивающееся направление, имеющее перспективы в различных отраслях.

Источники терагерцового излучения.

Газовый лазер.

Определенные молекулярные газовые лазеры могут создавать терагерцовое излучение (они также называются дальними инфракрасными лазерами). Они используют переходы определённых молекул (например, метанола) между их вращательными состояниями, получая выходную мощность от нескольких милливатт до 10. При таком способе КПД очень низок.

Источники, полученные с помощью микроволнового излучения.

Микроволновое излучение используются, например, в диодах Ганна, лавинно-пролётных диодах (ЛПД, IMPATT-диод) и резонансно-туннельных диодах. Некоторые из них уже давно были оптимизированы для высокочастотного излучения. Однако, в таком режиме производительность была намного ниже, чем на низких частотах.

Другим способом получения высоких частот является генерирование гармоник в нелинейных электронных устройствах. Для этого требуется мощные источники и чаще всего в итоге получают низкую выходную мощность.

В целом, производительность таких микроволновых источников довольно умеренная с точки зрения выходной мощности.

Лазеры на свободных электронах и синхротроны.

Лазеры на свободных электронах так же, как и синхротроны — мощные источники ТГц излучения. Они полезны для разнообразных исследовательских целей, но в то же время они очень большие и затратные. Поэтому, они ограничены в повсеместном использовании в терагерцовой технологии.

Фотопроводящая антенна.

Эта антенна состоит из двух металлических электродов, нанесенных на полуизолирующую полупроводниковую подложку, между которых располагается зазор. На электроды подается электрическое напряжение. Так как подложка является полуизолирующей, электрическая энергия запасается в области зазора и сверхкороткие лазерные импульсы играют роль быстродействующих переключателей, которые замыкают электрический контур и, тем самым, способствуют генерации ТГц импульса в результате ускоренного движения носителей в полупроводнике.

Приемники терагерцового излучения.

Болометры.

Болометры используются для того, чтобы выявлять разнообразные формы радиации, опираясь на изменение электрического сопротивления теплочувствительного элемента при нагревании его из-за поглощения измеряемого потока излучения.

Фотопроводящая антенна.

Фотопроводящая антенна может применяться не только с целью создания терагерцовых волн, но также с целью их выявления. Однако, к электродам вместо источника напряжения подключается измеритель тока. Регистрируется импульс тока, получаемый при одновременном освещении полупроводника терагерцовым и зондирующим (пробным) лазерным импульсом.

Метод электрооптического стробирования

Электрооптическое стробирование базируется на эффекте, противоположном оптическому выпрямлению – эффекте Поккельса, который заключается в изменении показателя преломления среды в оптическом диапазоне в присутствии внешнего электрического поля (в данном случае, поля терагерцового импульса). В методе электрооптического стробирования поле терагерцового импульса изменяет ориентацию эллипсоида показателей преломления электрооптического кристалла (кристалл становится двулучепреломляющим). При прохождении через кристалл линейно поляризованного зондирующего импульса совместно с терагерцовым импульсом, поляризация зондирующего импульса становится эллиптической в результате различного набега фаз для обыкновенной и необыкновенной волны. Величина эллиптичности (пропорциональная величине терагерцового поля) может быть зарегистрирована с помощью поляризационного анализатора (например, призмы Волластона). Обычно два пучка разных поляризаций, полученные с помощью анализатора, детектируется двумя фотодиодами. Регистрация разностного сигнала с диодов позволяет подавить шумы лазера и увеличить полезный сигнал вдвое (по сравнению с сигналом одного диода).

Применение терагерцового излучения

Коммуникации

Терагерцовое излучение трудно передавать через кабель, но можно передавать по воздуху. Однако, на разных частотах, молекулы воздуха сильно поглощают ТГц-волны. Пока что передача возможна лишь на расстояния в несколько метров. Пропускная способность и потенциальная емкость данных намного выше, чем в системах, работающих на микроволновом излучении (например, WLAN). Но, с другой стороны, стоимость терагерцовых источников очень высока.

Системы безопасности

ТГц-излучение способно проникать через такие материалы, как бумага, пластмассу, одежду, однако в отличие от рентгеновского излучения, оно не ионизирующее и не причиняет ущерба организму. С его помощью возможно рассмотреть скрытые под одеждой человека металлические предметы, взрывчатые и другие запрещенные вещества.

Медицина

Одним из наиболее важных применений ТГц-излучений в медицине является раннее выявление и диагностирование заболеваний. Прозрачность материалов в ТГц-диапазоне дает возможность обследовать рану без снятия гипса или бинтов. ТГц-излучение сможет помочь выявлять эпителиальную опухоль с помощью более безопасных диагностических систем. Кроме того, это излучение может найти применение в стоматологии для объемного изображения зубов.

Спектроскопия

Большая часть свойственных спектральных особенностей разных конденсированных сред (твердые тела, жидкости, биомедицинские ткани, водные растворы и смеси, химические соединения различной агрегации) — характеристические черты подобных сред попадают именно в терагерцовый диапазон. Данные черты применяются в качестве избирательной диагностики.

Спектральные свойства терагерцовой (ТГц) спектроскопии определяют ее значимость с точки зрения разных применений в безопасности, биомедицинских технологий, фармацевтике, нанотехнологиях, микро- и нано- электронике, контроле продуктов питания, мониторинга климата, астрономии, космической связи и т.д.

Заключение

Решения с применением ТГц-излучения в наше время усиленно патентуется. В 1980 гг. число изобретений по этой тематике составляло единицы, с 1980 по 1998 гг. ежегодный прирост по исследуемой теме составлял 2-3 патента в год, к 1999 г. количество патентных документов составило 21. Начиная с 2000 г. наблюдается постоянный рост количества изобретений. В 2016 г. количество патентных семейств достигло цифры 754.

Исходя из всего вышесказанного, ТГц технологии имеют чрезвычайно широкие перспективы применения в различных отраслях, при этом спектр областей их использования постоянно расширяется.

Список литературы.

1) Гареев, Г.З. Лучинин, В.В. Применение ТГц-излучения для обеспечения жизнедеятельности человека [Текст] / Г.З. Гареев, В.В. Лучинин // Междисциплинарная платформа «Биосфера». – 2014. - №6(36). – С. 71

2) Усанов, Д.А. Романова, Н.В. Салдина, Е.А. Перспективы и тенденции развития терагерцовых технологий: патентный ландшафт [Текст] / Д.А. Усанов, Н.В. Романова, Е.А. Салдина // Патентные ландшафты. – 2017. -№3. – C.189

3) Хохлов, Д.Р. Т-лучи: физика и возможности применения [Текст] / Д.Р. Хохлов // Советский физик. – 2014. -№5(108). – С. 3.

4) Царев, М.В. Генерация и регистрация терагерцового излучения ультракороткими лазерными импульсами [Текст]: учебное пособие / М.В. Царев. – Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 2011. - 75 с.

Код для цитирования: Скопировать