|
'''Тераге́рцевое (ТГц) излучение''' — вид [[Электромагнитное излучение|электромагнитного излучения]], спектр частот которого расположен между [[Инфракрасноеинфракрасное излучение|инфракрасным]] и [[СВЧсверхвысокие частоты|сверхвысокочастотным]] диапазонами. Границы между этими видами излучения в разных источниках определяются по-разному. Максимальный допустимый диапазон ТГц частот 10<sup>11</sup>—10<sup>13</sup> Гц, диапазон длин волн 3—0,03 мм соответственно. Такие волны ещё называются субмиллиметровыми, если длина волны попадает в диапазон 1—0,1 мм.
ТГц излучение — не [[Ионизирующее излучение|ионизирующее]], легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами и некоторыми диэлектриками. Например, дерево, пластик, керамика для него прозрачны, а металл и вода — нет.
Наука и техника ТГц (субмм) волн начала активно развиваться с 60—70-х годов 20-гоXX века, когда стали доступны первые источники и приёмники такого излучения<ref>{{книга|автор=Р. Г. Мириманов|заглавие=Миллиметровые и субмиллиметровые волны|место=М.|издательство=изд. ин. литературы|год=1959|страниц=}}</ref><ref>{{книга|автор=Р. А. Валитов, С. Ф. Дюбко, В. В. Камышан и др|заглавие=Техника субмиллиметровых волн|место=М.|издательство=Сов. Радио|год=1969|страниц=}}</ref>. Сейчас это бурно развивающееся направление<ref>{{книга|автор=Yun-Shik Lee|заглавие=Principles of Terahertz Science and Technology|место=|издательство=Springer|год=2009|страниц=}}</ref><ref>{{книга|автор=Kiyomi Sakai (Ed.)|заглавие=Terahertz Optoelectronics|место=|издательство=Springer|год=2005|страниц=}}</ref>, имеющее большие перспективы в разных отраслях народного хозяйства.
== Источники излучения ==
Одними из первых были разработаны электровакуумные импульсные источники излучения мВт мощности, такие как [[Лампа обратной волны|ЛОВ]], [[оротрон]]. Затем более мощные источники (до десятков кВт) — [[Лазер на свободных электронах|ЛСЭ]], [[гиротрон]]. В статье<ref>M.Yu. Glyavin, A. G. Luchinin, and G.Yu. Golubiatnikov, PRL 100, 015101 (2008) «Generation of 1.5-kW, 1-THz Coherent Radiation from a Gyrotron with a Pulsed Magnetic Field».</ref> описывается гиротрон, выдающий 1,5 кВт мощности на частоте 1 ТГц в импульсе длительностью 50 мкс. [[КПД]] при этом составляет 2,2 %. [[Новосибирский лазер на свободных электронах|Новосибирский терагерцовый ЛСЭ]] — самый мощный в мире источник терагерцового излучения со средней мощностью 0.5 кВт500 Вт<ref>[http://www-sbras.nsc.ru/HBC/article.phtml?nid=573&id=15 Лазеры на свободных электронах: новый этап развития]. "Наука в Сибири", N 50 (2785) 23 декабря 2010.</ref><ref>[http://www.sibai.ru/content/view/926/1064 Несвободное плавание свободных электронов].</ref>.
В качестве ТГц источников с недавнего времени используются [[Линейный ускоритель|линейные ускорители]] и [[синхротрон]]ы{{уточнить|циклотроны не используются для электронных пучков}} <ref> G. L. Carr*, Michael C. Martin†, Wayne R. McKinney†, K. Jordan‡,George R. Neil‡ & G. P. Williams‡, NATURE, VOL 420, 14 NOVEMBER 2002 «High-power terahertz radiation from relativistic electrons»</ref><ref>Y.-L. MATHIS, B. GASHAROVA and D. MOSS, Journal of Biological Physics 29: 313—318, 2003, «Terahertz Radiation at ANKA, the New Synchrotron Light Source in Karlsruhe».</ref>.
Излучение вышеперечисленных источников является тормозным, оно исходит от электронов, ускоренно движущихся в электрическом или магнитном поле специальной конфигурации в вакуумной камере.
Источником ТГц излучения малой мощности является квантовый оптический генератор ([[лазер]]). До конца 20-гоXX века [[:en:Far_infrared_laser| лазеры для дальней ИК области]] были громоздкими и малоэффективными, поэтому потребовалась разработка новой схемы генерации. Впервые т. н. квантово-каскадный принцип генерации ТГц лазера был реализован в 1994 г. Но проблемой было то, что активная среда, в которой возникало ТГц излучение, его же и поглощала. Спустя 8 лет эта проблема была решена введением в активную область многослойного кристалла лазера множества волноводов, выводящих ТГц излучение наружу. Таким образом, в 2002 г. был создан первый ТГц [[Квантово-каскадный_лазер|квантово-каскадный лазер]], работающий на частоте 4,4 ТГц и выдающий мощность 2 мВт<ref>{{статья|автор=R. Köhler et al.|заглавие=Terahertz semiconductor-heterostructure laser|ссылка=http://www.nature.com/nature/journal/v417/n6885/full/417156a.html|язык=en|издание=[[Nature]]|год=2002|volume=417|pages=156—159|doi=10.1038/417156a}}</ref>.
Также для генерации маломощного ТГц излучения применяются источники, использующие [[{{не переведено|:en:Optical rectification|электрооптический выпрямитель|электрооптический эффект]]}} в полупроводниковом кристалле. Для этого требуются импульсы [[фемтосекундный лазер|фемтосекундного]] (например, [[Титантитан-сапфировый лазер|титан-сапфирового]]) лазера и полупроводниковый кристалл с заданными свойствами (часто используют [[:en:Zinc telluride|теллурид цинка]] (ZnTe)). Рассматривается возможность создания ТГц источников на основе [[Эффект Дембера|эффекта Дембера]].
Используют [[Ганна диод Ганна|диоды Ганна]] для создания и регистрации ТГц излучения.
Существует множество работ, посвященных принципам генерации ТГц излучения. В работе<ref>Masashi Tachiki,1 Shouta Fukuya,2 and Tomio Koyama, PRL 102, 127002 (2009) «Mechanism of Terahertz ElectromagneticWave Emission from Intrinsic Josephson Junctions»</ref>, например, теоретически исследуется эмиссия ТГц излучения от Джозефсоновских переходов между сверхпроводниками при подаче тока вследствие нестационарного [[Джозефсоновский контакт|эффекта Джозефсона]].
== Приёмники излучения ==
Первыми приёмниками могут считаться [[болометр]] и оптико-акустический приёмник ([[ячейка Голея]]), прототип которого был создан в 30-х гг. Хэисом, а затем усовершенствован М. Голеем в 40-х гг. 20-гоXX века<ref>Harold A. Zahl and Marcel J.E. Golay, Re. Sci. Inst. 17, 11, November 1946, «Pneumatic Heat Detector»</ref>.
Изначально эти устройства создавались для регистрации ИК (теплового) излучения. Было установлено, что выделение слабого сигнала в ТГц области невозможно без подавления тепловых шумов. Поэтому в качестве ТГц приёмников позже стали использовать охлаждаемые до температур в несколько кельвин болометры.
Для детектирования ТГц излучения также применяют [[Радиометр|радиометрырадиометр]]ы, чувствительный элемент которых изготовлен на основе [[Пироэлектрикипироэлектрики|пироэлектрика]] ([[Сегнетоэлектрикисегнетоэлектрики|сегнетоэлектрика]]). Эффективно работают пластинки из [[:en:Lithiumтанталат tantalateлития|танталата лития]] (LiTaO<sub>3</sub>). Технические характеристики современных пироприёмников и болометров можно посмотреть, например, [http://www.spectrumdetector.com/ здесь]
Существует экспериментальный образец приёмной камеры, принцип действия которой основан на измерении туннельного тока от чувствительных мембран элементов приёмной матрицы<ref>T. W. Kenny and J. K. Reynolds, J. A. Podosek, et al., RevSciInstrum_67_112, «Micromachined infrared sensors using tunneling displacement transducers»</ref>.
Описанные выше приёмники являются неселективными (тепловыми), то есть позволяют регистрировать интегральную мощность сигнала в диапазоне, вырезаемом оптической системой перед приёмником без детализации спектра ТГц излучения. Мощность, эквивалентная шуму (NEP), лучших тепловых приёмников лежит в диапазоне 10<sup>−18</sup>—10<sup>−19</sup> Вт/Гц<sup>1/2</sup><ref>[http://apl.aip.org/resource/1/applab/v98/i19/p193503_s1 Demonstration of high optical sensitivity in far-infrared hot-electron bolometer. Appl. Phys. Lett. 98, 193503 (2011); doi:10.1063/1.3589367 (3 pages)]</ref>.
К селективным ТГц приемникам относятся камеры, в которых используется [[{{не переведено|:en:Photomixing|фотосмешение]]}}, [[эффект Поккельса]], колебания электрического поля (в [[Ганна диод Ганна|диодах Ганна]]). Фотосмешение осуществляют на поверхности металлических антенн<ref>E. N. Grossman, «Lithographic Antennas for Submillimeter and Infrared Frequencies»</ref><ref>Masahiko Tani et al.,International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 27, No. 4, April 2006, NOVEL TERAHERTZ PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS</ref>, в полупроводниковых кристаллах<ref>K. A. McIntosh, E. R. Brown, ApplPhysLett_73_3824, «Terahertz photomixing with diode lasers in low-temperature-grown GaAs»</ref>, тонких сверхпроводящих пленках. В результате получают сигнал на разностной частоте, который анализируют обычными методами. [[Эффект Поккельса]] реализуется в полупроводниковых кристаллах, например, в кристалле [[Арсенидарсенид галлия|арсенида галлия]] (GaAs).
Существует достаточно большое число приёмников ТГц излучения, и по сей день идет поиск альтернативных принципов детектирования.
== ТГц спектроскопия ==
ТГц диапазон до недавнего времени был труднодоступен, но с развитием ТГц техники ситуация изменилась. Сейчас существуют [[{{не переведено|:en:Terahertz time domain spectroscopy|Терагерцевая спектроскопия|ТГц спектрометры]]}} ([[Фурье-спектрометр]]ы и [[монохроматор]]ы), работающие во всем ТГц диапазоне.
В их конструкции используются некоторые из описанных выше источников, приёмников и ТГц оптические элементы, такие как ТГц дифракционные решетки, [[{{не переведено|:en:Picarin lens|пикарин|линзы]] из особой пластмассы}}, фокусирующие рупоры[[рупор]]ы, узкополосные резонансные mesh-фильтры<ref>W. Porterfield, J. L. Hesler, et al., APPLIED OPTICS, Vol. 33, No. 25 , 1994, Resonant metal-mesh bandpass filters for the far infrared</ref>. Возможно использование призм и других диспергирующих элементов. Техника, используемая для ТГц спектроскопии, содержит черты техник для соседних СВЧ- и ИК- диапазонов, но по-своему уникальна.
ТГц излучение является компонентой [[тепловое излучение|теплового излучения]] различных макроскопических объектов (накак хвосте распределения М. Планка для [[АЧТ]])правило, наибольшеена длядлинноволновом горячиххвосте тел, такихспектрального как звездыраспределения). В ТГц диапазоне расположены частоты [[уровень энергии|межуровневых]] переходов некоторых неорганических веществ (линии воды<ref>Cecilie Rønne, Per-Olof Åstrand, and Søren R. Keiding, PRL,VOL 82, NUMBer 14, 1999, THz Spectroscopy of Liquid H2O and D2O</ref>, кислорода, CO, например), длинноволновых колебаний решетокрешёток ионных и молекулярных кристаллов[[кристалл]]ов, изгибных колебаний [[макромолекула|длинных молекул]], в том числе полимеров и биополимеров; характеристич.характеристические частоты примесей в диэлектриках, в том числе в лазерных кристаллах; в полупроводниках это частоты, соотв. энергии связей примесных комплексов, экситонов[[экситон]]ов, зеемановским и штарковским переходам возбуждённых состояний примесей<ref>Grischkowsky, S0ren Keiding, et al., J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 7, No. 10, 1990, Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors</ref>. Частоты мягких мод в сегнетоэлектриках и частоты, соответствующие энергии щелей в сверхпроводниках, также находятся в ТГц диапазоне<ref>{{cite web|author=|date=|url=http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3943.html|title=Субмиллиметровая спектроскопия|publisher=|accessdate=2010-07-22|lang=|archiveurl=http://www.webcitation.org/67L07bZG2|archivedate=2012-05-01}}</ref>.
Представляет интерес изучение магнитотормозногомагнито‍[[тормозное излучение|тормозного]] (циклотронного и [[Синхротронное излучение|синхротронного излучения]]), магнитодрейфового и [[Черенковское излучение|черенковского излучения]] в этом диапазоне, которые при определенныхопределённых условиях дают существенный вклад в общий спектр ТГц излучения.
== Применение в народном хозяйстве ==
<!--[[Файл:Farran-Tadar-image L.jpg|thumb]] удалён с Викисклада -->
ТГц излучение уже находит применение в некоторых отраслях народного хозяйства и повседневной жизни людей.
В системах безопасности используется ТГц (мм) излучение для сканирования багажа и людей. В отличие от рентгеновского, ТГц излучение не наносит вреда организму. С его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и др. предметы на расстояниях до десятков метров., например<!-- На рисунке справа представлено изображение, сделанное -->, с помощью системы Tadar<ref>{{cite web|author=|date=|url=http://www.esa.int/esaCP/SEML1W5Y3EE_index_0.html|title=Tadar|publisher=|accessdate=2010-07-22|lang=|archiveurl=http://www.webcitation.org/67L08f9Sl|archivedate=2012-05-01}}</ref>. Длина волны сканирующего излучения — 3 мм.
В статье<ref>A. J. Huber,†,‡ F. Keilmann, et. Al, NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 11, Terahertz Near-Field Nanoscopy of Mobile Carriers in Single Semiconductor Nanodevices</ref> описывается метод получения изображения микроскопических объектов с использованием ТГц излучения, благодаря чему авторами были получены рекордные значения чувствительности и разрешающей способности.
|
