Новый раздел: терагерцовое оборудование
Терагерцовое излучение привлекает все большее внимание благодаря своим выдающимся свойствам и широким возможностям применения, открывая новые горизонты в технологиях, медицине, безопасности и промышленности. В этой статье мы расскажем о ключевых характеристиках терагерцовых волн, их применении и способах генерации. Кроме того, вы узнаете о доступных на сайте компании «ЛЛС» устройствах, которые позволяют использовать возможности терагерцового излучения в исследованиях и прикладных задачах.
Терагерцовое излучение. Основы, генерация, применение
Базовые данные
Терагерцовое излучение, также называемое субмиллиметровым излучением, (терагерцовыми волнами, T-лучами, T-волнами, T-светом или THz),
относится к электромагнитным волнам в диапазоне частот от 0,3 до 3 терагерц (ТГц), согласно классификации Международного союза электросвязи (ITU). Поскольку терагерцовые волны начинаются с длины волны около 1 миллиметра и продолжаются в более коротковолновой области (в других источниках 0,1 ТГц - 10 ТГц, что соответствует длинам волн в диапазоне от 30 мкм до 3 мм), этот диапазон и называют субмиллиметровым.
Длины волн терагерцового излучения варьируются от 1 мм до 0,1 мм (100 мкм)
Терагерцовые волны, часто называемые «терагерцовым зазором», стали предметом интенсивных исследований из-за их уникального положения в электромагнитном спектре, сочетая в себе свойства с обеих сторон — проникающую способность микроволнового излучения и высокое разрешение инфракрасного света. Этот отличительный диапазон делает терагерцовое излучение ключевым игроком в различных передовых технологических приложениях.
Применения
- Медицина
В отличие от рентгеновского, ТГц-излучение не наносит вреда организму.
На этом рисунке представлен снимок человеческого зуба, снятый в видимом и терагерцовом спектральных диапазонах. На «терагерцовой» картинке ясно виден кариес, в то время как в видимом спектральном диапазоне зуб выглядит совершенно здоровым.
Также терагерцовые изображения могут быть использованы для обнаружения рака кожи на ранней стадии, изучения структуры биологических тканей и оперативной диагностики злокачественных новообразований и опухолей с определением границ.
- Безопасность
Важнейшей областью применения терагерцового излучения являются системы безопасности. С его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и другие предметы на расстояниях до десятков метров. Дело в том, что одежда является достаточно прозрачной в этом спектральном диапазоне, поэтому терагерцовые сканеры вполне могут заменить рентгеновские установки, например, в аэропортах. Огромным преимуществом терагерцового излучения по сравнению с рентгеновским является то, что оно неионизирующее, и потому безопасное для человеческого организма. На следующем рисунке показан ботинок, в подошву которого спрятана взрывчатка и пластиковый нож. Если подошву заклеить, то рентгеновский сканер не сможет обнаружить то, что находится под подошвой, а терагерцовый сканер легко это сделает.
а – «терагерцовая» картинка, б – ботинок с заклеенной подошвой в видимом диапазоне, с – ботинок без подошвы в видимом диапазоне
- Неразрушающий контроль и мониторинг
Терагерцовый диапазон может быть использован для контроля качества продукции в промышленности. Например, для обнаружения дефектов, в том числе на электронных платах.
- Применение в материаловедении
Терагерцовый диапазон может быть использован для исследования физических свойств материалов. Например, терагерцовая спектроскопия может использоваться для изучения свойств полупроводников и других материалов, что поможет разработать более эффективные электронные устройства.
Применения терагерцового излучения постоянно расширяются. Дискриминационная способность терагерцовых волн позволяет дистанционно обнаруживать загрязняющие или токсичные газы в атмосфере с помощью абсорбционной спектроскопии. Такие газы, как сероводород или озон, создают типичный спектр поглощения в терагерцовом поле, в то время как их трудно обнаружить в видимом или инфракрасном спектрах. Это также касается смертельных химических или биологических агентов, включая горчичный газ, зарин и сибирскую язву, которые демонстрируют хороший терагерцовый отклик.
Как генерируется
Терагерцовое излучение может быть естественным и искусственным.
Естественное
Терагерцовое излучение испускается как часть излучения черного тела от всего, что имеет температуру выше примерно 2 кельвинов (-271 по °С). Тепловое излучение очень слабое. Из-за спектра поглощения атмосферы Земли непрозрачность атмосферы для субмиллиметрового излучения ограничивает наблюдение за данным излучением.
Черное тело
Электромагнитное излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с абсолютно чёрным телом при данной температуре (например, излучение внутри полости в абсолютно чёрном теле), называется чернотельным (или тепловым равновесным) излучением. Равновесное тепловое излучение однородно, изотропно и неполяризовано, перенос энергии в нём отсутствует, все его характеристики зависят только от температуры абсолютно чёрного тела-излучателя (и, поскольку чернотельное излучение находится в тепловом равновесии с данным телом, эта температура может быть приписана излучению).
Искусственное
Был разработан ряд других видов терагерцовых источников, в основном с 1990-х годов. Более широкое использование терагерцового излучения является результато разработки не только более мощных и эффективных терагерцовых источников, но и новых схем модуляции и обнаружения такого излучения. Во многих случаях фотоника играет жизненно важную роль в генерации, модуляции и обнаружении. Некоторые виды терагерцовых источников, по сути, генерируют узкополосное непрерывное терагерцовое излучение, в то время как другие производят более короткие терагерцовые импульсы, которые могут иметь высокую пиковую мощность и довольно большую полосу пропускания.
Источники, полученные из микроволновой технологии
Микроволновая технология представляет собой ряд высокочастотных генераторов, таких как диоды Ганна, диоды Импатта и резонансные туннельные диоды.
Диоды Ганна
Диод Ганна — тип полупроводниковых диодов, не имеющих в структуре p-n-переходов, используется для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц. Основан на эффекте Ганна — явлении осцилляций тока в многодолинном проводнике при приложении к нему сильного электрического поля.
В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на процессах в p-n-переходе, то есть все его свойства определяются не эффектами, которые возникают в местах соединения двух различных полупроводников, а собственными нелинейными свойствами применяемого полупроводникового материала.
Лавинно-пролётный диод (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролётные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определённом диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролётного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролётного диода является область лавинного пробоя.
Терагерцовый излучатель с использованием резонансно-туннельного диода
Эти устройства, оптимизированные для излучения в нижнем конце терагерцового спектра, сталкиваются со значительными проблемами при масштабировании до более высоких частот. Несмотря на то что они способны достигать терагерцовых частот, их выходная мощность и эффективность резко снижаются с ростом частоты, что является одним из основных ограничений микроволновой технологии в терагерцовых приложениях. Это существенный недостаток, делающий эти источники менее практичными для приложений, требующих значительной выходной мощности на высоких терагерцовых частотах.
Лазеры на свободных электронах и синхротроны
Лазер на свободных электронах (англ. Free Electron Laser, FEL) — вид лазера, излучение в котором генерируется моноэнергетическим пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе — периодической системе отклоняющих (электрических или магнитных) полей. Электроны, совершая периодические колебания, излучают фотоны, энергия которых зависит от энергии электронов и параметров ондулятора.
Можно построить лазеры на свободных электронах, а также источники синхротронного света, которые излучают очень высокую мощность в терагерцовых спектральных областях. Они полезны для различных исследовательских целей, но очень большие и дорогие. Поэтому они имеют довольно ограниченное применение для общей терагерцовой технологии.
Газовые лазеры
Некоторые молекулярные газовые лазеры могут генерировать терагерцовое излучение. (Иногда их также называют лазерами дальнего инфракрасного диапазона.) Они используют переходы определенных молекул (например, метанола) между молекулярными вращательными состояниями, с помощью которых можно генерировать дискретные частоты в широком диапазоне, обычно с выходной мощностью в несколько милливатт или несколько десятков милливатт. Такие газовые лазеры обычно имеют оптическую накачку, например, с помощью CO2-лазера. Например, существуют метаноловые лазеры с накачкой CO2, излучающие на частоте 2,5 ТГц. Эффективность преобразования очень низкая.
Квантовые каскадные лазеры
Квантовые каскадные лазеры — это полупроводниковые лазеры, которые изначально были разработаны для излучения в средней и дальней инфракрасной области спектра. Оптимизация для особенно большой длины волны излучения привела к частотам излучения всего в несколько терагерц, которые можно настраивать в некотором ограниченном диапазоне. Такие лазеры очень компактны, но нуждаются в криогенной системе охлаждения.
Фотопроводящая антенна
В области оптической технологии выборки были разработаны фотопроводящие дипольные антенны, которые подходят как для генерации, так и для обнаружения высокочастотных электромагнитных сигналов. Миниатюрные версии таких антенн позволили использовать их также в терагерцовом диапазоне. По сути, передающая антенна состоит из двух коротких металлических полосок с небольшим зазором между ними, изготовленных из полупроводникового материала с коротким временем жизни носителей заряда. К полоскам прикладывается постоянное напряжение смещения, а интенсивный ультракороткий лазерный импульс от лазера с синхронизированными модами, сфокусированный на области между металлическими полосками, создает короткое замыкание на короткое время. (Полупроводниковый зазор служит фотопроводящим переключателем.) Быстрое изменение потенциала вызывает быстрые колебания в антенне, которые, в свою очередь, приводят к терагерцовому излучению, испускаемому в широком диапазоне углов. Затухание часто происходит настолько быстро, что получается одноцикловый источник, т. е. источник, испускающий только около одного цикла электромагнитных колебаний. Тогда спектр излучения может примерно охватывать значительную часть октавы или даже больше. Это может быть полезно для спектроскопии, например, поскольку позволяет охватывать большой диапазон частот без необходимости в настраиваемом источнике. Для более высоких выходных мощностей были сконструированы устройства с большими площадями с встречно-штыревыми электродами как частью структуры металл-полупроводник-металл (MSM). Фотопроводящие антенны также могут работать в непрерывном режиме, когда облучение осуществляется двумя одночастотными лазерными диодами (или одним двухцветным лазером), имеющими терагерцовую разность частот. В частности, в этом непрерывном режиме фотопроводящие антенны также называются терагерцовыми фотосмесителями. Они могут производить спектрально очень чистое терагерцовое излучение, которое также может быть настраиваемым по частоте. Модуляция результирующего терагерцового сигнала легко возможна путем модуляции одной из задействованных оптических волн.
Параметрические взаимодействия в нелинейных кристаллах
Можно использовать генерацию разностной частоты двух оптических волн с похожей частотой для получения терагерцового излучения. В качестве альтернативы можно использовать два частотных компонента широкополосного ультракороткого импульса, взаимодействующих нелинейно. Такие процессы возможны не только в фотосмесителях, как обсуждалось выше, но и в различных нелинейных кристаллических материалах, и по сути работают как генерация разностной частоты для лазерных источников среднего инфракрасного диапазона, например. Если используется только один входной луч (не двухчастотный источник), метод называется оптической ректификацией. Это подробно объясняется в соответствующей статье энциклопедии. По сравнению с процессами нелинейного преобразования частоты, включающими только оптические лучи, терагерцовые источники, основанные на этой технологии, как правило, гораздо менее эффективны. Основной причиной этого является низкая энергия фотонов терагерцового излучения, которая намного ниже, чем у оптических лучей. Кроме того, существуют технические проблемы, связанные с сильной расходимостью терагерцовых лучей, что является результатом относительно больших длин волн и ограничивает реализуемую длину взаимодействия в нелинейном кристалле.
Оптическое выпрямление в газах
Несколько удивительно, что оптическое выпрямление фемтосекундных оптических импульсов, приводящее к излучению терагерцовых волн, может также происходить в газе (например, воздухе). Здесь плазма генерируется путем суперпозиции инфракрасного луча с его второй гармоникой. Тщательный контроль фазы задействованных волн необходим для высокой эффективности преобразования. По сравнению с оптическим выпрямлением в кристаллах ширина полосы излучения обычно выше, и можно получить более высокие энергии импульса.
Генерация ТГц излучения в воздухе
Установка для генерации ТГц двухцветными филаментами среднего инфракрасного диапазона. После четвертьволновой пластины (QWP) лазерный импульс 3,9 мкм проходит через кристалл селенида галлия (GaSe) и генерирует импульс второй гармоники. Двухволновый лазерный импульс фокусируется внеосевым параболическим зеркалом (OPM1) в окружающем воздухе и образует нить, в которой генерируется ТГц-излучение
С полной статьей можете ознакомиться по ссылке.
Лазеры уровня Ландау
Возможно, можно реализовать перестраиваемые терагерцовые лазеры на основе принципа лазера уровня Ландау. Здесь используется сильное магнитное поле в полупроводнике (например, p-легированном германии или графене), так что электронные энергетические уровни разделяются на так называемые уровни Ландау. Однако эта технология нуждается в дальнейшем развитии, чтобы достичь удовлетворительных характеристик.
Коммерчески доступные устройства
Как было отмечено ранее, ограничение применений терагерцового излучения в науке и в промышленных приложениях связано с недоступностью и дороговизной разработки готовых к работе устройств. Команда инженеров «ЛЛС» провела поиск и анализ азиатских производителей, готовых к сотрудничеству и рада представить вам линейку систем, отличающихся высоким качеством и эффективностью.
Мы рады презентовать новый раздел, посвященный терагерцовому оборудованию, в котором вы сможете найти:
- терагерцовые системы тестирования, визуализации, спектроскопии;
- компактные терагерцовые спектрометры;
- пробы, антенны, компоненты терагерцовых систем.
Основная техническая команда производителя состоит из докторантов, окончивших Хуачжунский университет науки и технологий, которые десятилетиями занимались исследованиями как в области исследования терагерцового излучения, так и в смежных областях, таких как терагерцовые, сверхбыстрые лазеры и прецизионные оптические системы. В 2014 году при финансировании Специального проекта по международному научно-техническому сотрудничеству Министерства науки и технологий Китайской Народной Республики команда осуществила техническое сотрудничество с профессором Чжан Сичэном из Рочестерского университета в США и его командой, достигнув высоких результатов в области исследований терагерцовой спектроскопии во временной области, технологии управления сверхбыстрой фемтосекундной лазерной дисперсией, технологии высокоскоростного оптического сканирования.
Представленное оборудование активно используется в Пекинском университете, университете науки и технологий Гонконга, научных институтах Ухани, Чунцина, Чеду, Хубэя, Huawei, государственной электросетевой корпорацией Китая, Китайской государственной электросетевой компанией, корпорацией аэрокосмической науки и технологий, а также в промышленных предприятиях, и предприятиях, осуществляющих безопасность и контроль.
Помимо представленных в разделе устройств, производитель готов полностью оснастить установки необходимыми элементами, такими, как управляемые столики и пробы, что заметно облегчает комплектование для любого исследования.
С полным каталогом продукции вы можете ознакомиться здесь.
По любым вопросам, связанным с терагерцовым оборудованием, не стесняйтесь обращаться к вашему персональному менеджеру или по адресу info@lenlasers.ru.
