Терагерцевое излучение

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^[1][2], 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^[3].

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^[4][5]. С начала XXI века это бурно развивающееся направление^[6][7], 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 %^[8]. В числе мощных источников терагерцового излучения — Новосибирский терагерцовый ЛСЭ со средней мощностью 500 Вт^[9][10].

В качестве ТГц-источников с недавнего времени используются линейные ускорители и синхротроны^{[уточнить][11][12]}. В работе^[13] 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 лазеры для дальней ИК области 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^[14].

Также для генерации маломощного ТГц-излучения применяются источники, использующие электрооптический эффект^[англ.] 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^[15], 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^[16].

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 (LiTaO₃). Технические характеристики современных пироприёмников и болометров можно посмотреть, например, здесь

Существует экспериментальный образец приёмной камеры, принцип действия которой основан на измерении туннельного тока от чувствительных мембран элементов приёмной матрицы^[17].

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 (NEP), лучших тепловых приёмников лежит в диапазоне 10⁻¹⁸—10⁻¹⁹ Вт/Гц^1/2[18].

К селективным ТГц-приёмникам относятся камеры, в которых используется фотосмешение^[англ.], эффект Поккельса, колебания электрического поля (в диодах Ганна). Фотосмешение осуществляют на поверхности металлических антенн^[19][20], в полупроводниковых кристаллах^[21], 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 ТГц-спектрометры^[англ.] (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, линзы из особой пластмассы^[англ.], фокусирующие рупоры, узкополосные резонансные mesh-фильтры^[22]. 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^[23], 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^[24]. Частоты мягких мод в сегнетоэлектриках и частоты, соответствующие энергии щелей в сверхпроводниках, также находятся в ТГц-диапазоне^[25].

Представляет интерес изучение магнито‍тормозного (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^[26]. Длина волны сканирующего излучения — 3 мм.

В статье^[27] 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^[28], 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^[29].

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^[30] 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^[31].

Представляет интерес изучение спектра ТГц-излучения от астрофизических объектов, что позволит получить о них больше информации. 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^[32][33], 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 3333 дня]}