Тераге́рцевое излуче́ние (или терагерцо́вое излучение), ТГц-излучение, субмиллиметровое излучение, субмиллиметровые волны — электромагнитное излучение, спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонами. Включает в себя электромагнитные волны определяемого МСЭ диапазона частот 0,3—3 ТГц, хотя верхняя граница для терагерцевого излучения несколько условна и в некоторых источниках считается 30 ТГц. Определяемый МСЭ диапазон частот соответствует диапазону децимиллиметровых волн, 1—0,1 мм. Такое же определение диапазону волн даёт ГОСТ 24375-80 и относит эти волны к диапазону гипервысоких частот.
Терагерцевое излучение — не 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 субмиллиметровых волн начала активно развиваться с 1960—1970-х годов, когда стали доступны первые источники и приёмники такого излучения. С начала XXI века — это бурно развивающееся направление, имеющее большие перспективы в различных отраслях.
Источники излучения Одними из первых были разработаны электровакуумные импульсные источники излучения малой мощности, такие как ЛОВ, оротрон. Затем более мощные источники (до десятков кВт) — ЛСЭ, гиротрон. Так, один из разработанных гиратронов имел мощность 1,5 кВт на частоте 1 ТГц в импульсе длительностью 50 мкс, КПД при этом составлял 2,2 %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».. В числе мощных источников терагерцового излучения — Новосибирский терагерцовый ЛСЭ со средней мощностью 500 ВтЛазеры на свободных электронах: новый этап развития . «Наука в Сибири», N 50 (2785) 23 декабря 2010.Несвободное плавание свободных электронов ..
В качестве ТГц-источников с недавнего времени используются линейные ускорители и синхротроны 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»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».. В работеG.L. CARR, M.C. MARTIN, W.R. MCKINNEY, K. JORDAN, G.R. NEIL and G.P. WILLIAMS, Journal of Biological Physics 29: 319—325, 2003. «Very High Power THz Radiation Sources» представлен импульсный источник ТГц-излучения большой мощности (средняя — 20 Вт, а в пике — ~1 МВт).
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 XX века лазеры для дальней ИК области были громоздкими и малоэффективными, поэтому потребовалась разработка новой схемы генерации. Впервые так называемый квантово-каскадный принцип генерации ТГц-лазера был реализован в 1994 году. Однако проблемой было то, что активная среда, в которой возникало ТГц-излучение, его же и поглощала. К 2002 году проблема была решена введением в активную область многослойного кристалла лазера множества волноводов, выводящих наружу. Таким образом был создан первый квантово-каскадный лазер ТГц-излучения, работающий на частоте 4,4 ТГц и выдающий мощность 2 мВт.
Также для генерации маломощного ТГц-излучения применяются источники, использующие в полупроводниковом кристалле. Для этого требуются импульсы фемтосекундного (например, титан-сапфирового) лазера и полупроводниковый кристалл с заданными свойствами (часто используют теллурид цинка). Рассматривается возможность создания ТГц-источников на основе эффекта Дембера.
Используют диоды Ганна для создания и регистрации ТГц-излучения.
Существует множество работ, посвящённых принципам генерации ТГц-излучения. В работеMasashi Tachiki,1 Shouta Fukuya,2 and Tomio Koyama, PRL 102, 127002 (2009) «Mechanism of Terahertz ElectromagneticWave Emission from Intrinsic Josephson Junctions», например, теоретически исследуется эмиссия ТГц-излучения от Джозефсоновских переходов между сверхпроводниками при подаче тока вследствие нестационарного эффекта Джозефсона.
Приёмники излучения Первыми приёмниками могут считаться болометр и оптико-акустический приёмник (ячейка Голея), прототип которого был создан в 1930-х годах Хэисом, а затем усовершенствован М. Голеем в 1940-х годахHarold A. Zahl and Marcel J.E. Golay, Re. Sci. Inst. 17, 11, November 1946, «Pneumatic Heat Detector».
Изначально эти устройства создавались для регистрации инфракрасного (теплового) излучения. Было установлено, что выделение слабого сигнала в ТГц-области невозможно без подавления тепловых шумов. Поэтому в качестве ТГц-приёмников позже стали использовать болометры, охлаждаемые до температур в несколько кельвин.
Для детектирования ТГц-излучения также применяют радиометры, чувствительный элемент которых изготовлен на основе пироэлектрика (сегнетоэлектрика). Эффективно работают пластинки из танталата лития (LiTaO3). Технические характеристики современных пироприёмников и болометров можно посмотреть, например, здесь
Существует экспериментальный образец приёмной камеры, принцип действия которой основан на измерении туннельного тока от чувствительных мембран элементов приёмной матрицыT. W. Kenny and J. K. Reynolds, J. A. Podosek, et al., RevSciInstrum_67_112, «Micromachined infrared sensors using tunneling displacement transducers».
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. Эквивалентная мощность шума (NEP), лучших тепловых приёмников лежит в диапазоне 10−18—10−19 Вт/Гц1/2Demonstration of high optical sensitivity in far-infrared hot-electron bolometer. Appl. Phys. Lett. 98, 193503 (2011); doi:10.1063/1.3589367 (3 pages).
К селективным ТГц-приёмникам относятся камеры, в которых используется , эффект Поккельса, колебания электрического поля (в диодах Ганна). Фотосмешение осуществляют на поверхности металлических антеннE. N. Grossman, «Lithographic Antennas for Submillimeter and Infrared Frequencies»Masahiko Tani et al.,International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 27, No. 4, April 2006, NOVEL TERAHERTZ PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS, в полупроводниковых кристаллахK. A. McIntosh, E. R. Brown, ApplPhysLett_73_3824, «Terahertz photomixing with diode lasers in low-temperature-grown GaAs», тонких сверхпроводящих плёнках. В результате получают сигнал на разностной частоте, который анализируют обычными методами. Эффект Поккельса реализуется в полупроводниковых кристаллах, например, в кристалле 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 (Фурье-спектрометры и монохроматоры), работающие во всем ТГц-диапазоне.
В их конструкции используются некоторые из описанных выше источников, приёмников и оптические ТГц-элементы, такие как дифракционные ТГц-решетки, , фокусирующие рупоры, узкополосные резонансные mesh-фильтрыW. Porterfield, J. L. Hesler, et al., APPLIED OPTICS, Vol. 33, No. 25 , 1994, Resonant metal-mesh bandpass filters for the far infrared. 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 теплового излучения различных макроскопических объектов (как правило, на длинноволновом хвосте спектрального распределения). В ТГц-диапазоне расположены частоты межуровневых переходов некоторых неорганических веществ (линии водыCecilie Rønne, Per-Olof Åstrand, and Søren R. Keiding, PRL,VOL 82, NUMBer 14, 1999, THz Spectroscopy of Liquid H2O and D2O, кислорода, CO, например), длинноволновых колебаний решёток ионных и молекулярных кристаллов, изгибных колебаний длинных молекул, в том числе полимеров и биополимеров; характеристические частоты примесей в диэлектриках, в том числе в лазерных кристаллах; в полупроводниках это частоты, соответствующие энергии связей примесных комплексов, экситонов, зеемановским и штарковским переходам возбуждённых состояний примесейGrischkowsky, 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. Частоты мягких мод в сегнетоэлектриках и частоты, соответствующие энергии щелей в сверхпроводниках, также находятся в ТГц-диапазоне.
Представляет интерес изучение магнитотормозного (циклотронного и синхротронного излучения), магнитодрейфового и черенковского излучения в этом диапазоне, которые при определённых условиях дают существенный вклад в общий спектр ТГц-излучения.
Применение в хозяйственной деятельности
ТГц-излучение уже находит применение в некоторых видах хозяйственной деятельности и повседневной жизни людей.
Так, в системах безопасности оно используется 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 другие предметы на расстояниях до десятков метров, например, с помощью системы Tadar. Длина волны сканирующего излучения — 3 мм.
В статьеA. J. Huber,†,‡ F. Keilmann, et. Al, NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 11, Terahertz Near-Field Nanoscopy of Mobile Carriers in Single Semiconductor Nanodevices описывается метод получения изображения микроскопических объектов с использованием ТГц-излучения, благодаря чему авторами были получены рекордные значения чувствительности и разрешающей способности.
В медицинскую практику начинают внедряться ТГц-томографыS.Wang and X-C Zhang, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 (2004), Pulsed terahertz tomography , с помощью которых можно исследовать верхние слои тела — кожу, сосуды, мышцы — до глубины в несколько сантиметров. Это нужно, например, для получения изображения опухолей.
Совершенствование приёмных ТГц-камер позволит получать снимки поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что, в свою очередь, сделает возможным «бесконтактное» восстановление первоначального облика произведений живописиHidden Art Could be Revealed by New Terahertz Device Newswise, Retrieved on 21 September 2008.
В производстве ТГц-излучение может найти применение для контроля качества выпускаемой продукции, мониторинга оборудования. Например, можно проводить осмотр продукции в пластиковой, бумажной таре, прозрачной в ТГц-спектре, но непрозрачной в видимом.
Рассматривается возможность разработки высокоскоростных ТГц-систем связиR. Piesiewicz, M. Jacob, M. Koch, J. Schoebel and T. Kürner, Performance analysis of future multi-gigabit wireless communication systems at THz frequencies with highly directive antennas in realistic indoor environments, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 14, No. 2, March/April 2008 и ТГц-локации для больших высот и космоса.
Перспективные исследования Большую важность имеют исследования в области ТГц-спектроскопии различных веществ, что позволит найти для них новые применения.
На поверхность Земли практически всё ТГц-излучение попадает от Солнца. Однако, из-за сильного поглощения водными парами атмосферы его мощность ничтожно мала. Поэтому особый интерес представляет исследование воздействия ТГц-излучения на живой организмУсанов Д. А., Скрипаль А. В., Усанов А. Д., Рытик А. П. — Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 2007., БИОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.