Fotonika i technologie terahercowe

fot. newport.com

Artykuł omawia podstawowe cechy terahercowego pasma częstotliwości. Przedstawiono podstawowe charakterystyki układu terahercowego złożonego ze źródła promieniowania, ośrodków i linii transmisyjnych, układów przetwarzania sygnałów oraz detektorów. Taki układ znajduje zastosowania badawcze, a także praktyczne w dwóch obszarach: obrazowanie terahercowe transmisyjne i odbiciowe oraz radar terahercowy bliskiego zasięgu a także systemy czujnikowe w paśmie THz. W kraju uruchomiono ostatnio kilka projektów badawczych dotyczących źródeł i detektorów promieniowania THz oraz ich zastosowań, w tym duży projekt infrastrukturalny, inwestycyjny FOTEH na PW. Omówiono program projektu FOTEH w obszarze technologii terahercowych i potencjalne konsekwencje jego realizacji.

Autor: prof. dr hab. inż. Ryszard S. Romaniuk, Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych

Pasmo, foton, energia i temperatura, charakterystyczny wymiar i czas fal terahercowych

Pasmo zajmowane przez światło widzialne (z niewielkimi przyległościami) zajmuje przedział częstotliwości ok. f = 300…800 THz, zakres długości fal λ=0,4…0,7μm, co odpowiada energii fotonu Ef = 2…3 eV. Fala EM milimetrowa λ = 1 mm posiada częstotliwość f = 300 GHz co odpowiada energii fotonu Ef = 1,24 meV. Zakres fal podczerwonych IR dzielono, ze względów technicznych, na podzakresy bliski NIR, średni MIR i daleki FIR.

Pasmo IR zajmuje umowny obszar λ = 1…100 μm co odpowiada częstotliwości w zakresie terahercowym f = 3…300 THz i energii fotonu 12,4 meV – 1,24 eV. Część obszaru IR w zakresie długości fal od ok. 10 do kilkudziesięciu μm nazywana jest zakresem promieniowania termicznego. Zupełnie umownie za pasmo terahercowe można przyjąć np. 0,1–10 THz, 0,3–30 THz, lub 0,3–100 THz.

Korzystając z podstawowych zależności energetycznych na energię fotonu i energię Boltzmanna: E f = hf = ħω i E = kBT, gdzie kB = 8,62*10-5 eV/K – stała Boltzmanna, h = 6,6261*10-34 J*s = 4,136*10-15 eV*s – stała Plancka, ħ = h/2π = 1,054*10-34 J*s = 6,582*10-16 eV*s = 197.327 MeV*Fm/c – zredukowana stała Plancka, stała Diraca, kwant momentu pędu, otrzymuje się przyrównując ħω = kBT ekwiwalentną energii (i długości fali) temperaturę fotonu. Dla częstotliwości f = 1 THz (1012 Hz) temperatura wynosi Tf ≈ 50 K, przy długości fali λ=0,3 mm, energii fotonu Ef = 4 meV, wartości liczby falowej. K = 2π/λ = 20 cm-1, oraz czasie charakterystycznym równym długości okresu fali T = 1 ps. Aby być w stanie zdetekować foton takiej fali przy pomocy detektora np. półprzewodnikowego lub bolometry musi być spełniony warunek ħω >> kBT, czyli w przypadku f = 1 THz, temperatura detekcji powinna być Td < 10 K. Fale terahercowe muszą być detekowane w warunkach kriogenicznych, w innym wypadku bardziej energetyczne fotony uniemożliwiają detekcję. Czasy charakterystyczne w paśmie terahercowym są rzędu ułamka pS, liczby falowe od kilkudziesięciu do kilkuset cm-1, energie fotonów kilkadziesiąt do kilkuset meV, temperatury charakterystyczne od kilkudziesięciu do kilkuset K.

Te wartości warto zamknąć klamrą szerszą. Od strony fal EM bardzo długich, fala o częstotliwości f = 0,3 Hz, posiada długość λ = 1Gm i ekwiwalentną energię fotonu Ef = 1,24 feV. Od strony fal bardzo krótkich, fala gamma o częstotliwości f = 3 ZHz (Zetta = 1021) posiada długość λ = 100 fm i energię fotonu Ef = 12,4 MeV. Fale RTG (X) umownie zamykamy w granicach długości fal λ = 10 pm…10 nm. Fale te z obu wymienionych krańców pasma dzieli między sobą 22 rzędy wielkości w zakresie długości, częstotliwości, energii fotonu. Najkrótsze spotykane w przyrodzie fale są pochodzenia astronomicznego i ich energia fotonu wynosi Ef = 1022 eV. Jeśli i te fale uwzględnimy to różnica wynosi aż 37 rzędów wielkości.

W tym bardzo szerokim zakresie energii fotonu, ekwiwalentnej temperatury fotonu, długości fal, i częstotliwości, oraz czasów charakterystycznych oddziaływanie fal EM z materią jest zasadniczo rożne. Dla fal terahercowych zakres energii fotonu jest ograniczony do poziomu meV. Jest to energia charakterystyczna dla drgań wielu układów molekularnych np. w związkach organicznych. Dla fal o długości λ = 0,01 μm ciało człowieka jest przezroczyste, z wyjątkiem kości. Dla fal termicznych o długości ok. λ ≈ 10 μm przezroczyste są niektóre tworzywa sztuczne, a na ciele człowieka widać rozkład temperatury. Dla fal o długości λ ≈ 100 μm duża część dielektryków, tkanin, itp. jest przezroczysta.

Ciało człowieka jest całkowicie widoczne pod ubraniem z dużą rozdzielczością, rzędu ułamka mm. Z tą cechą związana jest niedobra sława teraherców. Bezpośrednio obrazujący skaner terahercowy, gdyby taki właśnie zastosować na lotniskach i w innych punktach kontroli bezpieczeństwa, „rozbiera” człowieka z każdego ubrania.

W oddziaływaniu fali terahercowej z materią ważny jest wymiar geometryczny i skala czasu rzędu ułamka ps. W nanostrukturach (które są badane do budowy nanomateriałów i metamateriałów) skala energii i częstotliwości jest właśnie w obszarze teraherców. Dotyczy to takich energii jak np. ograniczenia poziomów, pewnych rodzajów drgań molekularnych, Fermiego, cyklotronowej, częstotliwości precesji spinu w silnych polach magnetycznych, energii wzbudzeń kolektywnych jak plazmonów. Czasy przejścia nośników przez struktury nanometryczne są rzędu ps. W zakresie podczerwieni dla częstotliwości f = 1…10 THz zachodzą molekularne przejścia wibracyjne. W zakresie terahercowym f = 1…10 THz w wielu materiałach zachodzą molekularne przejścia rotacyjne.

Rozmaitość drgań molekularnych jest znaczna i obejmuje np. rozciąganie symetryczne i antysymetryczne, drgania nożycowe, wahadłowe, wychylne, skrętne, obrotowe. W rezultacie, materiały molekularne posiadają bogate, złożone i indywidualne sygnatury spektralne w zakresie podczerwieni i terahercowym. Pasma absorpcyjne dla najczęstszych mostków organicznych jak N-H, O-H, C-C, C-N, C-O, występują w podczerwieni dla liczb falowych rzędu kilku tysięcy. Gdy do mostka przyłączony jest cięższy atom to pasmo absorpcji jest w obszarze terahercowym. Zjawisko precesji Larmora zachodzi z częstotliwością ω = -γB, gdzie B-pole magnetyczne, γ = -eg/2 m – współczynnik żyromagnetyczny. To zjawisko, zachodzące w paśmie terahercowym, wykorzystywane jest w takich badaniach jak: NMR, EPR, ESR.

Charakterystyka spektralna promieniowania ciała doskonale czarnego, opisana rozkładem Plancka, dla temperatury ok. 3000K posiada maksimum w obszarze światła widzialnego. Dla temperatury pokojowej to maksimum przesuwa się do ok. 10 μm, a więc w obszar fal IR i przy dalszym obniżaniu T w obszar fal terahercowych. Ostatecznie, dla temperatury promieniowania tła kosmicznego T = 2,73K maksimum jest przesunięte do mikrofal – fal centymetrowych λ≈5 cm. Atmosfera jest nieprzezroczysta dla fal terahercowych, głównie z powodu silnej szerokopasmowej absorpcji przez H₂O i licznych wąskich pasm absorpcji przez CO. Zasięg wiązki terahercowej w wilgotnym powietrzu także jest niewielki. Istnieją pewne wąskie terahercowe pasma spektralne, dla których atmosfera jest nieco bardziej przezroczysta.

Źródła, detektory, kolimatory i system terahercowy

Źródłem promieniowania terahercowego mogą być lampy mikrofalowe typu żyratrony (która jest rodzajem FEL), karcinotron (BWO, lampa o fali wstecznej), Laser FIR (gazowy organiczny), laser na swobodnych elektronach FEL, synchrotron, oraz wykorzystanie takich zjawisk jak mieszanie fotoniczne, fotoprzewodnictwo, rektyfikacja optyczna, generacja superkontinuum. W przypadku generacji synchrotronowej warunkiem uzyskania terahercowego promieniowania koherentnego jest mały wymiar zgęstki elektronowej w pierścieniu akumulacyjnym, tak aby generowane z niej promieniowanie było w fazie. Z wiązki rozciągłej promieniowanie będzie miało różną fazę. Zaletą źródła synchrotronowego są jego szerokie możliwości przestrajania długości fali i duże natężenie wiązki. Wadą źródła synchrotronowego są jego znaczne wymiary i koszty. 

Wydajnym i miniaturowym źródłem fali THz jest tzw. emiter fotokonduktacyjny. Utworzona na podłożu dielektrycznym antena dipolowa o szczelinie 50 μm jest pobudzana impulsem optycznym o dużej mocy. Dipol posiada rozmiary dobrane do generacji fali terahercowej tak, że następuje w nim przemiana częstotliwości i generowany jest impuls fali THz. Czas trwania wielobiegunowego impulsu THz wynosi ok.1 ps lub mniej a widmo częstotliwości może rozciągać się od ok. 0,5 THz do kilku THz. 

W laserze półprzewodnikowym generacja fali fotonowej następuje w wyniku rekombinacji międzypasmowej. Tak więc generacja fali terahercowej możliwa jest jedynie w materiałach o bardzo wąskiej przerwie energetycznej i tylko w temperaturach kriogenicznych. Półprzewodnikowy kwantowy laser kaskadowy QCL posiada uformowany obszar złącza w postaci wielu studni kwantowych o niewielkich lokalnych wartościach przerwy energetycznej. Fala THz może być generowana z każdej z tych studni i jeśli warunki wymiarowe i generacji są dobrane odpowiednio to może być to fala koherentna. Z laserów QCL uzyskiwano generację fali o f = 1…5 THz o mocy w impulsie Pimp = 1…20 mW, przy maksymalnej temperaturze pracy 50…150K. Uzyskiwano także generację fali THz z innych źródeł jak: lasery QCL z rektyfikacją wewnętrzną, bezpośrednia rektyfikacja optyczna w elemencie półprzewodnikowym, lasery światłowodowe, lasery Ti: Al2O3, fotomieszanie, lasery CO2, lasery DFB. Generowane częstotliwości były w obszarze od 0,1 THz do ponad 5 THz moce w zakresie od μW do mW. Nowe rozwiązania laserów QCL mogą pracować w temperaturach pokojowych. Do budowy terahercowych laserów światłowodowych wykorzystuje się fotoniczne światłowody organiczne typu mPOF. Światłowody takie mogą być jednodomowe dla fal THz.

System THz do celów badawczych składa się z lasera femtosekundowego zasilającego emiter THz i analizator THz, układu synchronizacji, optycznej linii opóźniającej, fotoprzewodzącego emitera THz pobudzanego laserem, układu z szeroką wiązką THz, kolimatora THz, odbiornika THz w którym wiązka laserowa na płytce ZnTe pełni funkcję analizatora wiązki THz, oraz kamery CCD. Próbka badana, np. w postaci komórki gazowej, w polu wiązki THz jest ustawiana za źródłem w obszarze kolimatora. We wiązkę THz wstawiane są także pastylkowe rezonatory wieloczęstotliwościowe pracujące z falą typu WGM (ślizgowe mody skośne) dla częstotliwości optycznych i THz. Dobierając odpowiednie wymiary rezonatora można doprowadzić do powstania fali stojącej THz i optycznej i odpowiedniego mieszania fal i powstania częstotliwości sumacyjnych i różnicowych. Odbiornik THz może być zbudowany analogicznie do nadajnika fotokonduktywnego lub jako antena pola bliskiego a także w postaci tranzystora mikrofalowego typu FET pracującego jako fotorektyfikator. System spektroskopowy lub tomograficzny THz może być miniaturyzowany i adptowanych do różnych warunków pracy. Na przykład, w niektórych rozwiązaniach wiązka optyczna służąca do pobudzenia emitera THz i polaryzacji matrycowego detektora THz może być doprowadzona do nich włóknem optycznym. Samo włókno optyczne jest zakończone emiterem THz. Światłowodowy przesuwnik fazowy służy jako linia opóźniająca synchronizująca procesy nadawana i odczytu impulsu THz w systemie.

Źródło generuje wiązkę rozbieżną więc powinno współpracować z kolimatorem THz. Materiał kolimatora musi być przezroczysty dla fal THz i powinien mieć współczynnik załamania na tyle duży aby skutecznie wykonywać operację kolimacji wiązki. Takie kolimatory z tworzyw sztucznych są produkowane komercyjnie. Kolimacja wstępna wiązki THz może być dokonana także bezpośrednio w laserze np. QCL poprzez utworzenie struktury plazmonowej na powierzchni wyjściowej lasera. Plazmonika jest techniką manipulacji polarytonów powierzchniowych. Polaryton jest kolektywną oscylacją elektronów na powierzchni metalu podczas oddziaływania z falą EM. Zlokalizowany polaryton powoduje powstanie lokalnie dużych gradientów pola optycznego lub THz rozproszonego przez nanocząstki metalu zawieszone w niskostratnej matrycy dielektrycznej. Polaryton może istnieć na planarnym interfejsie pomiędzy metalem i dielektrykiem. Lokalna gęstość elektronów może być sprzężona z falą EM. Rozkład polarytonów np. periodyczny może decydować o właściwości powierzchni materiału. Techniki plazmoniki teraheterahercowej zastosowano do poprawy jakości wiązki laserów QCL.