Terahertz-stråling (eller terahertz-stråling ), THz-stråling , submillimeter-stråling , submillimeter-bølger - elektromagnetisk stråling , hvis frekvensspektrum er placeret mellem det infrarøde og mikrobølgeområdet . Inkluderer elektromagnetiske bølger i det ITU -definerede frekvensområde på 0,3-3 THz [1] [2] , selvom den øvre grænse for terahertz-stråling er noget vilkårlig og i nogle kilder betragtes den som 30 THz. Frekvensområdet defineret af ITU svarer til området for decimillimeterbølger, 1-0,1 mm. Den samme definition af bølgeområdet er givet af GOST 24375-80 og henviser disse bølger til det hyper-høje frekvensområde [3] .
Terahertz-stråling er ikke -ioniserende og passerer let gennem de fleste dielektrika, men absorberes kraftigt af ledende materialer og nogle dielektrika. For eksempel er træ, plastik, keramik gennemsigtigt for ham, men metal og vand er det ikke.
Videnskaben og teknologien for submillimeterbølger begyndte at udvikle sig aktivt siden 1960'erne og 1970'erne, hvor de første kilder og modtagere af sådan stråling blev tilgængelige [4] [5] . Siden begyndelsen af det 21. århundrede er dette en retning i hastig udvikling [6] [7] , som har store perspektiver i forskellige brancher.
En af de første, der blev udviklet, var laveffekt elektrovakuum pulserede strålingskilder, såsom BWO , orotron . Derefter mere kraftfulde kilder (op til snesevis af kW) - FEL , gyrotron . En af de udviklede gyratroner havde således en effekt på 1,5 kW ved en frekvens på 1 THz i en puls med en varighed på 50 μs, mens virkningsgraden var 2,2 % [8] . Blandt de kraftige kilder til terahertzstråling er Novosibirsk terahertz FEL med en gennemsnitlig effekt på 500 W [9] [10] .
For nylig er lineære acceleratorer og synkrotroner blevet brugt som THz-kilder.[ præciser ] [11] [12] . I [13] præsenteres en pulserende THz-strålingskilde med høj effekt (gennemsnit, 20 W og peak, ~1 MW).
Strålingen fra ovennævnte kilder er bremsstrahlung, den kommer fra elektroner, der bevæger sig hurtigt i et elektrisk eller magnetisk felt af en speciel konfiguration i et vakuumkammer.
Kilden til laveffekt THz-stråling er en kvanteoptisk generator ( laser ). Indtil slutningen af det 20. århundrede var lasere til den fjerne IR-region voluminøse og ineffektive, så udviklingen af en ny generationsordning var påkrævet. Det såkaldte kvante-kaskade-princip for THz-lasergenerering blev først realiseret i 1994. Problemet var dog, at det aktive medium, hvori THz-strålingen optrådte, også absorberede den. I 2002 blev problemet løst ved at indføre en flerlags bølgeledere i det aktive område af en flerlags laserkrystal, der bringer THz-strålingen ud til ydersiden. Således blev den første kvante-kaskadelaser af THz-stråling skabt, som opererer ved en frekvens på 4,4 THz og udsender en effekt på 2 mW [14] .
For at generere laveffekt THz-stråling bruges der også kilder, der bruger den elektro-optiske effekt i en halvlederkrystal. Dette kræver pulser af en femtosekund (f.eks. titanium-safir ) laser og en halvlederkrystal med ønskede egenskaber (ofte bruges zinktellurid ). Muligheden for at skabe THz-kilder baseret på Dember-effekten overvejes .
Gunn-dioder bruges til at generere og detektere THz-stråling.
Der er mange værker afsat til principperne for generering af THz-stråling. I [15] studeres f.eks. emissionen af THz-stråling fra Josephson-forbindelser mellem superledere teoretisk, når der påføres strøm på grund af den ikke-stationære Josephson-effekt .
De første modtagere kan betragtes som et bolometer og en optisk-akustisk modtager ( Golay celle ), hvis prototype blev skabt i 1930'erne af Hayes, og derefter forbedret af M. Golay i 1940'erne [16] .
Oprindeligt blev disse enheder skabt til at registrere infrarød (termisk) stråling. Det blev konstateret, at isoleringen af et svagt signal i THz-regionen er umulig uden termisk støjundertrykkelse. Derfor blev bolometre afkølet til temperaturer på flere kelvin senere brugt som THz-modtagere.
Til at detektere THz-stråling bruges også radiometre , hvis følsomme element er lavet på basis af et pyroelektrisk ( ferroelektrisk ). Lithiumtantalatplader (LiTaO 3 ) virker effektivt. Tekniske karakteristika for moderne pyromodtagere og bolometre kan f.eks. ses her
Der er en eksperimentel prøve af modtagekammeret, hvis funktionsprincip er baseret på måling af tunnelstrømmen fra de følsomme membraner af elementerne i den modtagende matrix [17] .
De ovenfor beskrevne modtagere er ikke-selektive (termiske), det vil sige, at de tillader optagelse af den integrerede signaleffekt i det område, der er udskåret af det optiske system foran modtageren uden at detaljere THz-strålingsspektret. Støjækvivalent effekt ( NEP ) for de bedste termiske modtagere er i området 10 −18 —10 −19 W/Hz 1/2 [18] .
Selektive THz-modtagere omfatter kameraer, der bruger fotoblanding , Pockels-effekt , elektriske feltoscillationer (i Gunn-dioder ). Fotoblanding udføres på overfladen af metalantenner [19] [20] , i halvlederkrystaller [21] , tynde superledende film. Som et resultat opnås et signal ved forskelsfrekvensen, som analyseres ved hjælp af konventionelle metoder. Pockels-effekten realiseres i halvlederkrystaller, for eksempel i en galliumarsenid (GaAs) krystal.
Der findes et ret stort antal THz-strålingsmodtagere, og den dag i dag søges der efter alternative detektionsprincipper.
Indtil for nylig var THz-området svært tilgængeligt, men med udviklingen af THz-teknologien har situationen ændret sig. Nu er der THz-spektrometre ( Fourier-spektrometre og monokromatorer ), der arbejder i hele THz-området.
Deres design bruger nogle af de ovenfor beskrevne kilder, modtagere og optiske THz-elementer, såsom THz- diffraktionsgitre, plastiklinser fokuseringshorn , smalbåndsresonansfiltre [22] Det er muligt at bruge prismer og andre dispersive elementer. Teknikken, der bruges til THz-spektroskopi, indeholder træk ved teknikker til de nærliggende mikrobølge- og infrarøde områder, men er unik på sin egen måde.
THz-stråling er en komponent af den termiske stråling af forskellige makroskopiske objekter (som regel på den lange bølgelængde hale af spektralfordelingen). I THz-området er der frekvenser af interlevel- overgange af nogle uorganiske stoffer (vandlinjer [23] , ilt, CO, for eksempel), langbølgesvingninger af gitter af ioniske og molekylære krystaller , bøjningsvibrationer af lange molekyler , bl.a. polymerer og biopolymerer; karakteristiske frekvenser af urenheder i dielektrika, herunder laserkrystaller; i halvledere er disse frekvenser svarende til bindingsenergierne af urenhedskomplekser, excitoner , Zeeman- og Stark-overgange af de exciterede tilstande af urenheder [24] . Frekvenserne af bløde tilstande i ferroelektrik og frekvenserne svarende til energien af huller i superledere er også i THz-området [25] .
Det er af interesse at studere magneto -bremsstrahlung (cyklotron- og synkrotronstråling ), magnetodrift og Cherenkov-stråling i dette område, som under visse forhold yder et væsentligt bidrag til det samlede spektrum af THz-stråling.
THz-stråling bliver allerede brugt i nogle typer økonomiske aktiviteter og menneskers dagligdag.
Så i sikkerhedssystemer bruges det til at scanne bagage og mennesker. I modsætning til røntgenstråler skader THz-stråling ikke kroppen. Den kan bruges til at se metal, keramik, plastik og andre genstande gemt under en persons tøj på afstande på op til snesevis af meter, for eksempel ved hjælp af Tadar-systemet [26] . Bølgelængden af scanningsstråling er 3 mm.
Artiklen [27] beskriver en metode til at opnå billeder af mikroskopiske objekter ved hjælp af THz-stråling, på grund af hvilken forfatterne opnåede rekordværdier for følsomhed og opløsning.
THz tomografer [28] begynder at blive introduceret i medicinsk praksis , ved hjælp af hvilke det er muligt at undersøge de øverste lag af kroppen - hud, blodkar, muskler - i en dybde på flere centimeter. Dette er nødvendigt, for eksempel for at få billeder af tumorer.
Forbedring af de modtagende THz-kameraer vil gøre det muligt at få billeder af overflader skjult under lag af gips eller maling, hvilket igen vil gøre det muligt "kontaktfrit" at genoprette maleriets oprindelige udseende [29] .
I produktionen kan THz-stråling bruges til at kontrollere kvaliteten af fremstillede produkter og overvåge udstyr. For eksempel er det muligt at inspicere produkter i plastik, papirbeholdere, transparente i THz-spektret, men uigennemsigtige i det synlige.
Muligheden for at udvikle højhastigheds-THz-kommunikationssystemer [30] og THz-placering til store højder og rum overvejes.
Forskning inden for THz-spektroskopi af forskellige stoffer er af stor betydning, hvilket vil gøre det muligt at finde nye anvendelser for dem.
Næsten al THz-stråling når Jordens overflade fra Solen . Men på grund af den stærke absorption af atmosfærisk vanddamp er dens kraft ubetydelig. Derfor er undersøgelsen af effekten af THz-stråling på en levende organisme af særlig interesse [31] .
Det er interessant at studere spektret af THz-stråling fra astrofysiske objekter, hvilket vil gøre det muligt at få mere information om dem . I de chilenske Andesbjerge, i en højde af 5100 m, opererer verdens første teleskop , som modtager stråling fra Solen og andre kosmiske legemer i området 0,2-1,5 mm.
Der er udvikling i gang inden for THz- ellipsometri [32] [33] , holografi og undersøgelser af THz-strålings interaktion med metaller og andre stoffer. Udbredelsen og interaktionen af THz- plasmoner i bølgeledere af forskellige konfigurationer studeres. Basen af THz-kredsløb er ved at blive udviklet; de første THz transistorer er allerede blevet fremstillet . Disse undersøgelser er nødvendige, for eksempel for at øge processorernes driftsfrekvens til THz-området.[ afklare ]
Undersøgelsen af magnetobremsstrahlung THz-stråling vil give information om strukturen af stof i et stærkt magnetfelt (4-400 T).
Aktive udviklinger er også i gang efter ordre fra militæret og specialtjenester på terahertz-radarer og radar-optiske billeddannelsessystemer, der opererer i terahertz-området, herunder personal, som er en radar-optisk enhed baseret på en terahertz-radar, på hvis skærm billedet vises i terahertz-området. Brugen af terahertz-stråling i radar-optiske visualiseringsværktøjer kan bruges til at skabe den næste type nattesynsenheder sammen med andre implementerede metoder, såsom et billedforstærkerrør , et infrarødt kamera, et ultraviolet kamera.
| Radiobølgebånd | ||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||
| elektromagnetiske spektrum | |
|---|---|
| Synligt spektrum | |
| Mikrobølgeovn | |
| radiobølger | |
| Bølgelængder | |