Знакомство с терагерцовым диапазоном

Узнайте о терагерцовом диапазоне, его свойствах и приложениях, в которых он полезен.

Если вы когда-нибудь слышали термин «ТГц промежуток», но не знали, что он означает, эта статья для вас.

Терагерцовый спектр

Терагерцовое (ТГц) излучение обычно определяется как область электромагнитного спектра в диапазоне от 100 ГГц (3 мм) до 10 ТГц (30 мкм), который находится между миллиметровой и инфракрасной частотами. ТГц диапазон получил несколько названий, таких как субмиллиметровый, дальний инфракрасный и почти миллиметровый диапазоны.

На частоте 1 ТГц излучаемый сигнал имеет следующие характеристики:

• Длина волны: 300 мкм в свободном пространстве
• Период: 1 шт.,
• Энергия фотона: 4,14 мэВ

Кроме того, hf / k _B =Температура 48 K, где h - постоянная Планка (6,62607004 × 10 ^-34 J.s), f - частота, а k _B постоянная Больцмана (1.380649 × 10 ⁻²³ Дж / К).

ТГц диапазон в электромагнитном спектре показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема, показывающая расположение ТГц диапазона в электромагнитном спектре

Эта часть электромагнитного спектра является наименее изученной областью по сравнению с соседними областями, то есть микроволновым и оптическим диапазонами.

Вот почему термин «ТГц промежуток» используется для объяснения младенчества этого диапазона по сравнению с хорошо развитыми соседними спектральными областями. Это побудило исследователей из различных дисциплин (таких как физика, материаловедение, электроника, оптика и химия) исследовать различные неизученные или менее изученные аспекты ТГц волн.

Свойства терагерцовых волн

Хотя интерес к ТГц области возник еще в 1920-х годах, обширные исследования были посвящены этому региону только в течение последних трех десятилетий. Ключевым мотивом для этого являются исключительные волновые свойства и широкие возможности применения в ТГц диапазоне частот.

Волны ТГц диапазона имеют средние характеристики по сравнению с двумя полосами, которые они расположили между собой.

Эти свойства можно резюмировать следующим образом:

1. Проникновение: Длина волны ТГц излучения больше, чем длина волны инфракрасного излучения; следовательно, ТГц волны имеют меньшее рассеяние и лучшую глубину проникновения (в диапазоне см) по сравнению с инфракрасными (в диапазоне мкм). Следовательно, сухие и неметаллические материалы прозрачны в этом диапазоне, но непрозрачны в видимом спектре.
2. Разрешение: Волны ТГц имеют более короткие длины волн по сравнению с микроволновыми; это дает лучшее пространственное разрешение изображения.
3. Безопасность: Энергии фотонов в ТГц диапазоне намного ниже, чем в рентгеновских лучах. Следовательно, ТГц излучение неионизирующее.
4. Спектральный отпечаток пальца: Меж- и внутриколебательные моды многих молекул лежат в ТГц диапазоне.

Проблемы развития ТГц диапазона

Несмотря на то, что ТГц диапазон имеет несколько интересных характеристик, существуют некоторые проблемы, характерные для ТГц-технологий. Основная причина того, что поле ТГц неразвито по сравнению с соседними диапазонами, - это отсутствие эффективных, когерентных и компактных источников и детекторов ТГц диапазона.

Эти характеристики источников можно найти в обычных источниках микроволнового диапазона, таких как транзисторы или RF / MW антенны, а также в устройствах, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах, таких как полупроводниковые лазерные диоды. Однако невозможно использовать эти технологии для работы в ТГц диапазоне без значительного снижения мощности и эффективности.

В нижнем диапазоне частот ТГц диапазона обычно используются твердотельные электронные устройства; однако такие устройства имеют спад 1 / f ² из-за реактивно-резистивных эффектов и длительного времени прохождения. С другой стороны, оптические устройства, такие как диодные лазеры, не работают на пределе ТГц диапазона из-за отсутствия материалов с достаточно малой шириной запрещенной зоны.

Еще одна проблема в ТГц диапазоне - большие потери. Волны ТГц имеют высокое поглощение в атмосферной обстановке и во влажной среде. Атмосферное ослабление в электромагнитном спектре показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Затухание на уровне моря для различных атмосферных ситуаций:дождь =4 мм / ч; Туман =видимость 100 м; STD =7,5 г / м ³ водяной пар; 2 × STD =15 г / м ³ водяной пар. Изображение М. К. Кемпа через IEEE Xplore

Очевидно, что ухудшение сигнала в ТГц диапазоне значительно больше, чем в микроволновом и инфракрасном диапазонах. Отчасти это связано с тем, что молекулы воды резонируют в этом диапазоне.

Неблагоприятные атмосферные характеристики ТГц волн делают их подходящей областью рабочих частот для следующих двух случаев:

• Аэрокосмическая промышленность: В космосе окружающая среда почти вакуумная, поэтому поглощение и ослабление сигнала из-за водяных капель не представляет проблемы. Кроме того, спектральная сигнатура межзвездной пыли находится в ТГц области. Поэтому технология ТГц широко используется в радиоастрономии, например, при запуске космической обсерватории Гершеля Европейским космическим агентством.
• Ближний бой: Для применений на малых расстояниях атмосферное затухание незначительно, особенно на частотах с высоким поглощением. Это упрощает удаление / распознавание эффекта этих узких линий. Следовательно, технология ТГц является очень изобретательным инструментом для фундаментальных исследований в различных дисциплинах, таких как физика и химия. Кроме того, это привлекательный вариант для беспроводной связи малого радиуса действия с высокой скоростью передачи данных.

Применение терагерцового излучения

ТГц излучение можно использовать во многих потенциальных приложениях, включая терагерцовую визуализацию, спектроскопию и беспроводную связь.

Биомедицинская визуализация - одна из подкатегорий ТГц визуализации. Волны ТГц могут проникать в ткани человека на глубину до нескольких сотен микрометров; Таким образом, медицинская визуализация в ТГц диапазоне может применяться для диагностики поверхности тела, такой как обнаружение рака кожи, рта и груди, а также для визуализации зубов. Кроме того, системы ТГц имеют потенциальный рынок для приложений безопасности, обнаружения твердых взрывчатых материалов и проверки почты. И последнее, но не менее важное:получение изображений в ТГц диапазоне - удобный метод проверки корпусов полупроводников.

ТГц спектроскопия - очень мощный метод для характеристики свойств материалов и понимания их характеристик в этом диапазоне. ТГц спектроскопия позволила лучше понять особенности поглощения во многих монокристаллических, микрокристаллических и порошковых образцах органических молекул.

На рис. 3 показан образец результата измерения для идентификации колебательных мод молекул мальтозы.

Рисунок 3. Измеренный колебательный спектр мальтозы в системе спектроскопии во временной области ТГц, верхний график показывает измеренный сигнал ТГц без образца мальтозы. Стрелки на графике ниже показывают частоты колебаний молекул мальтозы. На вставке показана молекулярная структура мальтозы. Изображение из Y. C. Shen и др. Через Applied Physics Letters .

Спектроскопия ТГц диапазона находит применение в биохимической науке, например, при анализе сигнатур ДНК и структур белков. Поточное управление производственными процессами - еще одно потенциальное применение терагерцовой спектроскопии, которая может обеспечивать бесконтактные измерения в реальном времени. ТГц спектроскопией можно положительно управлять, чтобы отличить гидратированные вещества от высушенных из-за высокого поглощения воды на частотах ТГц. Например, в бумажной промышленности терагерцовая спектроскопия используется производителями для контроля толщины и влажности бумаги.

В некоторых приложениях, таких как неразрушающий контроль, используются как формирование изображений в ТГц диапазоне, так и спектроскопия. Например, в исследовании истории искусства терагерцовое изображение и спектроскопия помогают визуализировать древности, выявить толщину различных слоев произведения искусства и показать типы материалов.

На рисунке 4 показана фотография Мадонны в Прегиере (слева) и изображение картины в ТГц диапазоне, основанное на интегрированном спектре между 0,5 - 1 ТГц (справа).

Рисунок 4. (а) фотография Мадонны в Прегиере в видимом диапазоне (б) ТГц изображение Мадонны в Прегиере в интегрированном спектре между 0,5 и 1 ТГц. Изображение от J. Dong и др. С сайта Scientific Reports

ТГц изображение дает информацию о нижних слоях картины с новаторской степенью детализации порядка десятков микрон.

Кроме того, терагерцовое изображение и спектроскопия - это два сильных количественных и качественных неинвазивных метода исследования фармацевтических твердых лекарственных форм, покрытий таблеток и активных фармацевтических ингредиентов. Например, на рис. 5 показано изменение толщины слоя покрытия восьми таблеток с одинаковым временем нанесения покрытия в ТГц диапазоне между таблетками.

Рисунок 5. Усредненная толщина покрытия каждой отдельной таблетки в зависимости от времени нанесения покрытия. На вставке показана карта толщины покрытия (мкм) восьми таблеток с одинаковым временем покрытия 120 мин. Очевидно, что от таблетки к таблетке толщина покрытия сильно различается. Изображение Я. К. Шена из Международного фармацевтического журнала

Возможности терагерцового диапазона

В конце 20-го века и первом десятилетии 21-го века, когда проводилось огромное количество лабораторных экспериментов в ТГц диапазоне, исследователи в основном сосредоточились на различных потенциальных применениях ТГц диапазона, и были достигнуты очень многообещающие результаты. Фактически, эти увлекательные экспериментальные результаты стали отличной мотивацией и движущей силой для многих исследователей, которые углубились в область ТГц и исследовали ее с разных сторон.

Благодаря постоянному прогрессу в области исследований ТГц диапазона в последние годы, ТГц системы и приложения находят свое место в некоторых коммерческих приложениях. Однако для того, чтобы ТГц волны могли конкурировать и преодолевать другие технологии в реальных сценариях, необходимо решать и / или улучшать различные проблемы. Например, требуются мощные и компактные источники ТГц диапазона, системы измерения ТГц должны быть миниатюризированы, требуются методы более быстрого сканирования луча ТГц диапазона, а системы ТГц должны иметь более низкую стоимость.

Еще одна развивающаяся область исследований - беспроводная связь в ТГц диапазоне. Это особенно востребовано, поскольку обеспечивает высокоскоростную беспроводную связь за пределами 5G. Поэтому необходимы различные исследования, чтобы созреть и полностью раскрыть потенциал ТГц диапазона.

<час />

Что бы вы хотели узнать о технологиях терагерцового диапазона? Делитесь своими вопросами в комментариях ниже.