Терагерцовое излучение (ТГц-излучение) — это электромагнитное излучение с частотами в диапазоне от 0,1 до 10 терагерц (10 в степени 11 до 10 в степени 13 Гц), что соответствует длинам волн от 3 мм до 30 мкм. Оно занимает промежуточное положение между инфракрасным излучением и микроволновым диапазоном. Это излучение уникально тем, что может проникать через многие материалы, непрозрачные для видимого света, такие как пластик, ткань и дерево. При этом такое излучение не ионизирует и не повреждает биологические ткани.
Хотя диапазон терагерцовых частот известен с начала 20 века, активное исследование в этом направлении началось только в конце 20-го века. В 1980-х годах с развитием фемтосекундных лазеров стали возможными эксперименты по генерации и детектированию ТГц-излучения. Значительный вклад внесли разработки в области полупроводниковых материалов и лазерной техники, что позволило создать первые источники и детекторы терагерцового излучения.
Генерация и детектирование терагерцев
Одна из проблем, связанная с использованием терагерцового излучения, заключается в сложности процесса генерации такого излучения. Ниже приведен список основных способов сгенерировать терагерцы в полупроводниках и кристаллах:
- Квантовые каскадные лазеры. В данном способе используют многослойные полупроводниковые структуры, где электроны переходят через серию квантово-механических уровней, испуская терагерцовое излучение. Такой способ отлично подходит для создания мощных источников ТГц-излучения.
- Использование нелинейных кристаллов и фемтосекундного излучения. Генерация ТГц-излучения происходит за счет прохождения через нелинейные кристаллы фемтосекундных импульсов света. В результате этого за счет эффекта оптического выпрямления происходит генерация терагерцев.
- Фотопроводящие антены. Лазерные импульсы возбуждают электронные носители в полупроводнике, что приводит к генерации ТГц-излучения.
- Электронно-лучевые устройства. Несколько специфичным методом генерации терагерцев выступают ускорители частиц, такие как синхротроны, которые могут генерировать мощное ТГц-излучение при ускорении электронов до релятивистских скоростей.
Помимо описанных методов терагерцовое излучение можно генерировать в плазме и в жидкости.
Другая проблема при работе с терагерцами состоит в обратном к генерации процессе - детектировании этого излучения. В настоящее время выделяют следующие методы:
- Болометры. Для детектирования терагерцев необходимо измерить изменение температуры материала, поглощающего ТГц-излучение. Такое изменение температуры приводит к изменению электрического сопротивления, что фиксируется детектором. Болометры обладают высокой чувствительностью и могут детектировать очень слабое ТГц-излучение.
- Пироэлектрические детекторы. В данном методе используют кристаллы с пироэлектрическими свойствами, которые генерируют электрический заряд при изменении температуры. Эти детекторы часто используются для обнаружения импульсного ТГц-излучения.
- Фотопроводящие антенны. Терагерцовое излучение направляется на фотопроводящий материал, вызывая фотопроводимость. Другой лазерный импульс используется для измерения изменения проводимости материала, что позволяет детектировать терагерцовое излучение. Сигнал терагерцового излучения преобразуется в электрический сигнал, который можно измерить.
- Электрооптические кристаллы. Зондирующий фемтосекундный лазерный импульс направляется на кристалл, поляризация которая меняется под воздействием электрического поля терагерцового излучения. Поляризационные изменения измеряются с помощью анализатора поляризации и зондирующего импульса. Эти изменения поляризации пропорциональны электрическому полю терагерцового излучения, что позволяет детектировать его интенсивность и форму (с помощью введения линии задержки между зондирующим и терагерцовым импульсом).
Применение терагерцового излучения
- Безопасность и контроль: ТГц-сканеры могут обнаруживать скрытые предметы, такие как оружие, взрывчатые вещества и наркотики, даже если они спрятаны под одеждой. Такое применение особенно актуально для мест массового скопления людей, например, вокзалов и аэропортов, где крайне важно стоит вопрос безопасности и предотвращения террористических актов и контрабанды.
- Медицинская диагностика: ТГц-излучение используется для визуализации кожных заболеваний, таких как меланома, без вреда для пациента. Способность проникать через ткани позволяет использовать ТГц-излучение для диагностики рака и других заболеваний.
- Неразрушающий контроль материалов: Терагерцовая спектроскопия позволяет анализировать химический состав и структуру материалов без их повреждения. В качестве таких объектов могут выступать объекты искусства, подлинность и структурный состав которых можно оценить с помощью ТГц-излучения. Также терагерцы используется для проверки качества и целостности пластиков, керамики и других материалов.
- Астрономия: ТГц-излучение позволяет астрономам изучать межзвездные облака, молекулярные облака и другие холодные объекты, которые невидимы в оптическом диапазоне.
- Беспроводные сети следующего поколения: Терагерцовые технологии обещают существенно увеличить скорость передачи данных в беспроводных сетях (потенциально до 100 Гбит/с и выше). Помимо этого, ТГц-диапазон частот подходит для сверхскоростных соединений на короткие расстояния, таких как внутрикомпьютерные сети.
Перспективы развития ТГц-излучения
- Развитие коммуникационных технологий: Ожидается, что ТГц-диапазон станет основой для 6G и последующих поколений мобильных сетей, предоставляя сверхвысокие скорости передачи данных.
- Интернет вещей (IoT): Терагерцовые технологии могут обеспечить высокоскоростную связь для IoT-устройств.
- Улучшение методов медицинской диагностики: Развитие технологий ТГц-излучения может привести к появлению новых неинвазивных методов диагностики, которые будут безопасными и безболезненными для пациентов.
- Безопасность и контроль на новом уровне: Разработка более быстрых и точных ТГц-сканеров для использования в аэропортах, на стадионах и других общественных местах. Помимо этого, возможность использования ТГц-излучения для удаленного обнаружения опасных веществ и предметов.
- Новые материалы и устройства: Исследования в области метаматериалов могут привести к созданию новых эффективных источников и детекторов ТГц-излучения.
Подводя итог, можно сказать, что терагерцовое излучение продолжает привлекать внимание исследователей и инженеров по всему миру благодаря своим уникальным свойствам и широким возможностям применения. Развитие технологий в этой области открывает новые перспективы в науке, медицине, безопасности и коммуникациях.
На сегодняшний день множество научных групп из России занимаются развитием данного направления. Многие ученые защищают кандидатские и докторские диссертации по терагерцовым тематикам. Так, например, в 2023 году сотрудник лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Университета ИТМО Исмагилов Азат Олфатович защитил кандидатскую диссертацию на тему "Фантомная визуализация с использованием псевдотеплового источника в широкополосном терагерцовом диапазоне".