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 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.
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.
|
REKLAMA |
REKLAMA |