Введение в терагерцовые технологии
По мере углубления исследований терагерцовые технологии продолжают добиваться прорывных результатов, привлекая к себе всё больше внимания со стороны научного сообщества и промышленности. В данной статье систематически рассматриваются основные принципы, три главных направления применения и типовые продукты терагерцовых технологий, что поможет читателю быстро сформировать общее представление об этой передовой области.
Что такое терагерцовые волны
Терагерцовая волна (Terahertz Wave, THz-волна) — это уникальный частотный диапазон в электромагнитном спектре. Обычно к нему относят электромагнитные волны с частотой от 0,1 до 10,0 ТГц и длиной волны от 30 мкм до 3 мм. Как показано на Рис. 1, терагерцовые волны находятся в спектре между микроволновым и инфракрасным излучением. Они сочетают в себе возможности электронного управления и высокочастотные преимущества фотоники, обладая ярко выраженными оптоэлектронными свойствами, находящимися на стыке двух дисциплин.
Рис. 1. Схема терагерцового диапазона
Три основных направления применения терагерцовых технологий
Терагерцовый диапазон долгое время оставался недостаточно изученным по сравнению с микроволновым и инфракрасным диапазонами из-за незавершенности теоретической базы, а также относительной нехватки эффективных источников излучения и детекторов. Однако по мере непрерывного освоения частотных ресурсов в последние годы в области терагерцовой спектроскопии, визуализации и коммуникаций были достигнуты впечатляющие успехи.
Терагерцовая спектроскопия: Терагерцовая спектроскопия позволяет раскрывать информацию о структуре молекул, скрывая в себе богатые физические и химические характеристики, охватывая такие явления, как низкоэнергетическое возбуждение электронных материалов и колебания молекул жидкости. На Рис. 2 показаны три репрезентативных технических маршрута терагерцовой спектроскопии.
Рис. 2 (a) Классическая отражательная система терагерцовой спектроскопии во временной области (THz-TDS)
(b) Система спектроскопии с временным разрешением
(c) Система эмиссионной спектроскопии
Терагерцовая визуализация (Технология формирования изображений): Опираясь на высокую проникающую способность терагерцовых волн, возможность неразрушающего контроля, а также уникальные свойства «спектральных отпечатков пальцев» большинства веществ в терагерцовом диапазоне, терагерцовая визуализация реконструирует соответствующие изображения путем обработки и анализа информации о пропускании или отражении образцов. Основные современные методы визуализации включают: покадровое сканирование во временной области, визуализацию в реальном времени на фокальной плоскости, компьютерную томографию, визуализацию на основе непрерывного излучения (continuous-wave imaging) и ближнепольную визуализацию.
Рис. 3 (a) Система визуализации в реальном времени на фокальной плоскости
(b) Ближнепольная визуализация на фокальной плоскости
(c) Система визуализации на основе непрерывного излучения
Терагерцовая спектроскопия и визуализация уже демонстрируют широкие перспективы применения в таких областях, как обеспечение безопасности, материаловедение, медицинская визуализация и неразрушающий контроль.
Рис. 4 (a) Терагерцовый досмотр (системы безопасности)
(b) Терагерцовая визуализация клеток
(c) Терагерцовый неразрушающий контроль
Терагерцовые коммуникации: Терагерцовая связь обладает следующими выдающимися преимуществами: богатые ресурсы полосы пропускания, способные поддерживать растущие потребности в сверхвысокоскоростной передаче данных; малые размеры антенн и высокая направленность; слабое рассеяние и хорошая проникающая способность сквозь облака. С другой стороны, сильное поглощение терагерцовых волн водяным паром в атмосфере делает терагерцовую связь идеально подходящей для межспутниковой связи, связи стратосферных аппаратов «воздух-воздух», короткодистанционных наземных беспроводных локальных сетей (WLAN), а также короткодистанционной защищенной атмосферной связи.
Рис. 5 (a) Терагерцовая межпланетная/межспутниковая связь
(b) Короткодистанционная наземная беспроводная локальная сеть
Терагерцовые оптические компоненты
Развитие терагерцовой спектроскопии и визуализации невозможно без поддержки высокопроизводительных оптических компонентов. К наиболее распространенным терагерцовым оптическим элементам относятся внеосевые параболические зеркала, терагерцовые линзы, полые уголковые отражатели, терагерцовые светоделители и поляризаторы.
Компания Guangtan Intelligent Technology представляет следующую линейку терагерцовых оптических компонентов:
Внеосевые параболические зеркала (Off-axis parabolic mirrors): Это наиболее часто используемые зеркала в терагерцовой спектроскопии, предназначенные для отражения и фокусировки параллельных терагерцовых пучков; также могут использоваться в обратном направлении (см. роль PM на оптической схеме Рис. 2(a)). Компания предлагает стандартные изделия на алюминиевой подложке 6061-T6 диаметром 25,4 мм и 50,8 мм с золотым, серебряным или алюминиевым покрытием и внеосевым углом 90°. При этом коэффициент отражения золотого покрытия в терагерцовом диапазоне превышает 95%.
Рис. 6 Внеосевое параболическое зеркало
Полые уголковые отражатели (Hollow retroreflectors): Также известные как полые трипель-призмы или ретрорефлекторы, они способны возвращать исходящий луч параллельно входящему с отклонением на 180°, независимо от того, является ли угол падения строго перпендикулярным. Компания предлагает полые уголковые отражатели с эффективным отверстием 25,4 мм, 50,8 мм и 63,5 мм с золотым или алюминиевым покрытием. Они имеют полую облегченную конструкцию, склеенную из трех взаимно перпендикулярных плоских стекол K9, что не только снижает вес, но и уменьшает требования к условиям эксплуатации, гарантируя высокоточное отражение падающего света.
Терагерцовые линзы: В основном используются для фокусировки и коллимации в системах, широко применяются в терагерцовых спектрометрах, системах визуализации и соответствующих исследовательских областях. Материалами с хорошим пропусканием в терагерцовом диапазоне являются в основном полимеры и высокоомный кремний, при этом TPX (поли-4-метилпентен-1) обладает особенно выдающимися показателями пропускания. Компания выпускает линзы из TPX диаметром 25,4 мм и 38 мм с фокусным расстоянием в диапазоне 35 мм, 50 мм, 100 мм, 200 мм и других спецификаций.
DeepLightSeek
