Терагерцевое излучение

Применение в хозяйственной деятельности

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

В системах безопасности используется ТГц (мм) излучение 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 см. Это нужно, например, для получения изображения опухолей.

Совершенствование ТГц приёмных 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.

Приёмники излучения

Первыми приёмниками могут считаться болометр и оптико-акустический приёмник (ячейка Голея), прототип которого был создан в 30-х гг. Хэисом, а затем усовершенствован М. Голеем в 40-х гг. XX века.

Изначально эти устройства создавались для регистрации ИК (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.

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 (NEP), лучших тепловых приёмников лежит в диапазоне 10−18—10−19 Вт/Гц1/2.

К селективным ТГц приемникам относятся камеры, в которых используется фотосмешение (англ.), эффект Поккельса, колебания электрического поля (в диодах Ганна). Фотосмешение осуществляют на поверхности металлических антенн, в полупроводниковых кристаллах, тонких сверхпроводящих пленках. 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.

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 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, голографии, исследования взаимодействия ТГц излучения с металлами и др. 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.[уточнить]

Исследование ТГц магнитотормозного 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 терагерцевым РЛС и радиолокационно-оптическим системам визуализации, работающим в терагерцевом диапазоне, в том числе персональным, представляющим собой радиолокационно-оптический прибор на основе терагерцевой РЛС, на экране которого картинка отображается в терагерцевом диапазоне. Применение терагерцевого 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 802 дня]

Применение в хозяйственной деятельности

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

В системах безопасности используется ТГц (мм) излучение 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 см. Это нужно, например, для получения изображения опухолей.

Совершенствование ТГц приёмных 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.

Постройте свой собственный Терагерцовый (ТГц) спектрометр

В качестве совершенно гибкого и экономически эффективного решения, Ekspla предлагает комплексную терагерцовую систему. Доступны четыре стандартные конфигурации, оптимизированные для измерения пропускания, отражения, формирование изображения или для проведения измерений накачка-сигнал. Все они могут быть легко заменены и изменены. Любая другая дополнительная конфигурация может быть заказана изначально или в качестве будущего обновления.

Стандартный комплекс терагерцовой (ТГц) спектроскопии включает в себя:

• Фотопроводящая антенна
• ТГц эмиттер и детектор
• Оптика сопряжения излучения лазера накачки
• Моторизованная медленная линия задержки с контроллером
• Зеркала, направляющие ТГц луч
• Держатель образца
• Синхронный усилитель
• Программное обеспечение LabVIEW для сбора данных

Опционно:

• Фемтосекундный лазер
• «Чистый» блок, удаляющий водные линии поглощения
• Персональный компьютер

Пример схемы экспериментальной установки THz-TDS спектроскопии

ТГц эмиттер и детектор

Главное окно программного обеспечения (изображение лезвия (размер 97 x 97 пикселей) полученное в режиме изображения на частоте 1 ТГц

Герц и беккерель

Кроме герца в СИ существует ещё одна производная единица, равная секунде в минус первой степени (1/с): таким же соотношением с секундой связан беккерель. Существование двух равных, но имеющих различные названия единиц, связано с различием сфер их применения: герц используется только для периодических процессов, а беккерель — только для случайных процессов распада радионуклидов. Хотя использовать обратные секунды в обоих случаях было бы формально правильно, рекомендуется использовать единицы с различными названиями, поскольку различие названий единиц подчёркивает различие природы соответствующих физических величин.

Источники излучения

Одними из первых были разработаны электровакуумные импульсные источники излучения мВт-мощности, такие как ЛОВ, оротрон. Затем более мощные источники (до десятков кВт) — ЛСЭ, гиротрон. В статье описывается гиротрон, выдающий 1,5 кВт мощности на частоте 1 ТГц в импульсе длительностью 50 мкс. КПД при этом составляет 2,2 %. Новосибирский терагерцовый ЛСЭ — самый мощный в мире источник терагерцового излучения 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 (средней — 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 г. Но проблемой было то, что активная среда, в которой возникало ТГц излучение, его же и поглощала. Спустя 8 лет эта проблема была решена введением в активную область многослойного кристалла лазера множества волноводов, выводящих ТГц излучение наружу. Таким образом, в 2002 г. был создан первый ТГц квантово-каскадный лазер, работающий на частоте 4,4 ТГц и выдающий мощность 2 мВт.

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 (ZnTe)). Рассматривается возможность создания ТГц источников на основе эффекта Дембера.

Используют диоды Ганна для создания и регистрации ТГц излучения.

Существует множество работ, посвященных принципам генерации ТГц излучения. В работе, например, теоретически исследуется эмиссия ТГц излучения от Джозефсоновских переходов между сверхпроводниками при подаче тока вследствие нестационарного эффекта Джозефсона.

Примечания

1. Р. Г. Мириманов. Миллиметровые и субмиллиметровые волны. — М.: изд. ин. литературы, 1959.
2. Р. А. Валитов, С. Ф. Дюбко, В. В. Камышан и др. Техника субмиллиметровых волн. — М.: Сов. Радио, 1969.
3. Yun-Shik Lee. Principles of Terahertz Science and Technology. — Springer, 2009.
4. Kiyomi Sakai (Ed.). Terahertz Optoelectronics. — Springer, 2005.
5. M.Yu. Glyavin, A. G. Luchinin, and G.Yu. Golubiatnikov, PRL 100, 015101 (2008) «Generation of 1.5-kW, 1-THz Coherent Radiation from a Gyrotron with a Pulsed Magnetic Field».
6. G. L. Carr*, Michael C. Martin†, Wayne R. McKinney†, K. Jordan‡,George R. Neil‡ & G. P. Williams‡, NATURE, VOL 420, 14 NOVEMBER 2002 «High-power terahertz radiation from relativistic electrons»
7. Y.-L. MATHIS, B. GASHAROVA and D. MOSS, Journal of Biological Physics 29: 313—318, 2003, «Terahertz Radiation at ANKA, the New Synchrotron Light Source in Karlsruhe».
8. G.L. CARR, M.C. MARTIN, W.R. MCKINNEY, K. JORDAN, G.R. NEIL and G.P. WILLIAMS, Journal of Biological Physics 29: 319—325, 2003. «Very High Power THz Radiation Sources»
9. Masashi Tachiki,1 Shouta Fukuya,2 and Tomio Koyama, PRL 102, 127002 (2009) «Mechanism of Terahertz ElectromagneticWave Emission from Intrinsic Josephson Junctions»
10. Harold A. Zahl and Marcel J.E. Golay, Re. Sci. Inst. 17, 11, November 1946, «Pneumatic Heat Detector»
11. T. W. Kenny and J. K. Reynolds, J. A. Podosek, et al., RevSciInstrum_67_112, «Micromachined infrared sensors using tunneling displacement transducers»
12. E. N. Grossman, «Lithographic Antennas for Submillimeter and Infrared Frequencies»
13. Masahiko Tani et al.,International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 27, No. 4, April 2006, NOVEL TERAHERTZ PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS
14. K. A. McIntosh, E. R. Brown, ApplPhysLett_73_3824, «Terahertz photomixing with diode lasers in low-temperature-grown GaAs»
15. W. Porterfield, J. L. Hesler, et al., APPLIED OPTICS, Vol. 33, No. 25 , 1994, Resonant metal-mesh bandpass filters for the far infrared
16. Cecilie Rønne, Per-Olof Åstrand, and Søren R. Keiding, PRL,VOL 82, NUMBer 14, 1999, THz Spectroscopy of Liquid H2O and D2O
17. Grischkowsky, S0ren Keiding, et al., J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 7, No. 10, 1990, Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors
18. . Дата обращения 22 июля 2010.
19. . Дата обращения 22 июля 2010.
20. A. J. Huber,†,‡ F. Keilmann, et. Al, NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 11, Terahertz Near-Field Nanoscopy of Mobile Carriers in Single Semiconductor Nanodevices
21. S.Wang and X-C Zhang, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004), Pulsed terahertz tomography
22. R. Piesiewicz, M. Jacob, M. Koch, J. Schoebel and T. Kürner, Performance analysis of future multi-gigabit wireless communication systems at THz frequencies with highly directive antennas in realistic indoor environments, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 14, No. 2, March/April 2008
23. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Усанов А. Д., Рытик А. П. — Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 2007., БИОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
24. T. Hofmann, U. Schade, et al., REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 77, 063902 2006, Terahertz magneto-optic generalized ellipsometry using synchrotron and blackbody radiation
25. Ranxi Zhang et al., APPLIED OPTICS, Vol. 47, No. 34, 2008, Polarization information for terahertz imaging

ТГц компоненты

Основными компонентами любой терагерцовой системы являются ТГц эмиттер и детектор излучения. ТГц эмиттер и детектор компании Ekspla имеют микрополосковую антенну фоторезистора, выращенную на GaAs (LT-GaAs) подложке при низкой температуре. Терагерцовое (ТГц) излучение собирается и коллимируется встроенной полусферической кремниевой линзой, установленной на платформе XY. Исполнение фотопроводящей антенны зависит от подвижности носителей и времени прохождения сигнала в полупроводниковых слоях.

LT-GaAs является одним из лучших материалов для ТГц приложений, благодаря высокой подвижности носителей, быстрого времени захвата носителей, высокому напряжению пробоя и высокому сопротивлению. Технология роста LT-GaAs позволяет контролировать жизнь фотовозбужденных носителей в очень широком диапазоне: от менее 100 фс до 100 пс. Геометрия фотосопротивления антенны, параметры кремниевых линз, а также свойства эпитаксиальных слоев LT-GaAs оптимизированы для максимальной эффективности выходного терагерцового (ТГц) излучения, сохраняя при этом оптимальную пропускную способность.

В результате типичное значение излучаемой мощности терагерцового (ТГц) излучения превышает несколько мВт при накачке высокочастотным лазером с выходной мощностью 30 мВт и длительностью импульса 100 фс. Пропускная способность системы обнаружения превышает 700 ГГц с полезным спектральным диапазоном 0.1–3.5 ТГц. Имеются версии для различных типов лазеров накачки.

Слухи, домыслы и паранаучные спекуляции

Существует слабообоснованная точка зрения[кто?], что человеческая кожа способна ощущать терагерцовое излучение в виде особого, специфического «тепла», осязательно отличающегося от обычного, привычного нам ближнего ИК-тепла, и что это объясняет феномен т. н. «лекарей-экстрасенсов», якобы ощущающих воспаление через кожу и даже одежду. Даже если для единиц из них это действительно так, отделить их от мошенников и поставить статистически достоверный эксперимент не представляется возможным. Более того, чувствительность современного оборудования не позволяет достоверно установить даже сам факт того, что локальное повышение температуры в очаге воспаления может быть измерено по картине ТГц-излучения в принципе.

Литература

• 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

Кратные и дольные единицы

Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ.

Примеры

В Викисловаре есть статья «герц»

• Диапазон частот звуковых колебаний, которые способен слышать человек, лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц.
• Сердце человека в спокойном состоянии бьётся с частотой приблизительно 1 Гц (Примечательно, что Herz в переводе с немецкого означает «сердце». Однако фамилия великого физика пишется Hertz).
• Частота ноты ля по стандарту настройки, принятому в настоящее время, составляет 440 Гц. Является стандартной частотой камертона (нота ля первой октавы является эталонной для настройки музыкальных инструментов). В концертных залах применяется настройка в 442 Гц, иногда выше.
• Частоты колебаний электромагнитного поля, воспринимаемого человеком как видимое излучение (свет), лежат в диапазоне от 3,9·1014 до 7,9·1014 Гц.
• Частота электромагнитного излучения, используемого в микроволновых печах для нагрева продуктов, обычно равна 2,45 ГГц.