Radiación de terahercios (o radiación de terahercios ), radiación THz , radiación submilimétrica , ondas submilimétricas : radiación electromagnética , cuyo espectro de frecuencia se encuentra entre los rangos infrarrojo y microondas . Incluye ondas electromagnéticas en el rango de frecuencia definido por la UIT de 0,3-3 THz [1] [2] , aunque el límite superior para la radiación de terahercios es algo arbitrario y en algunas fuentes se considera 30 THz. El rango de frecuencia definido por la ITU corresponde al rango de ondas decimilimétricas, 1-0,1 mm. GOST 24375-80 da la misma definición de rango de onda y refiere estas ondas al rango de frecuencia hiperalta [3] .
La radiación de terahercios no es ionizante y pasa fácilmente a través de la mayoría de los dieléctricos, pero los materiales conductores y algunos dieléctricos la absorben con fuerza. Por ejemplo, la madera, el plástico, la cerámica son transparentes para él, pero el metal y el agua no lo son.
La ciencia y la tecnología de las ondas submilimétricas comenzaron a desarrollarse activamente desde las décadas de 1960 y 1970, cuando se dispuso de las primeras fuentes y receptores de dicha radiación [4] [5] . Desde principios del siglo XXI, esta es una dirección en rápido desarrollo [6] [7] , que tiene grandes perspectivas en varias industrias.
Uno de los primeros en desarrollarse fueron las fuentes de radiación pulsada de electrovacío de baja potencia, como BWO , orotron . Luego fuentes más potentes (hasta decenas de kW) - FEL , gyrotron . Así, uno de los gyratrons desarrollados tenía una potencia de 1,5 kW a una frecuencia de 1 THz en un pulso con una duración de 50 μs, mientras que la eficiencia era del 2,2% [8] . Entre las poderosas fuentes de radiación de terahercios se encuentra el FEL de terahercios de Novosibirsk con una potencia promedio de 500 W [9] [10] .
Recientemente, se han utilizado aceleradores lineales y sincrotrones como fuentes de THz.[ aclarar ] [11] [12] . En [13] , se presenta una fuente de radiación THz pulsada de alta potencia (promedio, 20 W y pico, ~1 MW).
La radiación de las fuentes anteriores es bremsstrahlung, proviene de electrones que se mueven rápidamente en un campo eléctrico o magnético de una configuración especial en una cámara de vacío.
La fuente de radiación THz de baja potencia es un generador óptico cuántico ( láser ). Hasta finales del siglo XX, los láseres para la región del IR lejano eran voluminosos e ineficientes, por lo que se requería el desarrollo de un esquema de nueva generación. El llamado principio de cascada cuántica de la generación de láser THz se realizó por primera vez en 1994. Sin embargo, el problema era que el medio activo, en el que aparecía la radiación THz, también la absorbía. En 2002, el problema se resolvió introduciendo en la región activa de un cristal láser multicapa una pluralidad de guías de ondas que sacan la radiación THz al exterior. Así, se creó el primer láser de cascada cuántica de radiación THz, operando a una frecuencia de 4,4 THz y con una potencia de salida de 2 mW [14] .
Asimismo, para generar radiación THz de baja potencia se utilizan fuentes que aprovechan el efecto electro-óptico en un cristal semiconductor. Esto requiere pulsos de un láser de femtosegundo (por ejemplo, titanio-zafiro ) y un cristal semiconductor con las propiedades deseadas (a menudo se usa telururo de zinc ). Se considera la posibilidad de crear fuentes de THz basadas en el efecto Dember .
Los diodos Gunn se utilizan para generar y detectar radiación THz.
Hay muchos trabajos dedicados a los principios de generación de radiación THz. En [15] , por ejemplo, se estudia teóricamente la emisión de radiación THz de las uniones Josephson entre superconductores cuando se aplica corriente debido al efecto Josephson no estacionario .
Los primeros receptores pueden considerarse un bolómetro y un receptor óptico-acústico ( célula de Golay), cuyo prototipo fue creado en la década de 1930 por Hayes, y luego mejorado por M. Golay en la década de 1940 [16] .
Inicialmente, estos dispositivos fueron creados para registrar la radiación infrarroja (térmica). Se encontró que el aislamiento de una señal débil en la región de THz es imposible sin la supresión del ruido térmico. Por lo tanto, los bolómetros enfriados a temperaturas de varios kelvin se usaron más tarde como receptores de THz.
Para detectar la radiación THz , también se utilizan radiómetros , cuyo elemento sensible está hecho sobre la base de un piroeléctrico ( ferroeléctrico ). Las placas de tantalato de litio (LiTaO 3 ) funcionan eficazmente. Las características técnicas de los modernos pirorreceptores y bolómetros se pueden ver, por ejemplo, aquí
Existe una muestra experimental de la cámara receptora, cuyo principio de funcionamiento se basa en medir la corriente de tunelización de las membranas sensibles de los elementos de la matriz receptora [17] .
Los receptores descritos anteriormente son no selectivos (térmicos), es decir, permiten registrar la potencia integral de la señal en el rango recortado por el sistema óptico frente al receptor sin detallar el espectro de radiación THz. La potencia equivalente de ruido ( NEP ) de los mejores receptores térmicos está en el rango de 10 −18 —10 −19 W/Hz 1/2 [18] .
Los receptores selectivos de THz incluyen cámaras que usan fotomezcla , efecto Pockels , oscilaciones de campo eléctrico (en diodos Gunn ). La fotomezcla se lleva a cabo en la superficie de antenas metálicas [19] [20] , en cristales semiconductores [21] , películas delgadas superconductoras. Como resultado, se obtiene una señal a la frecuencia de diferencia, que se analiza por métodos convencionales. El efecto Pockels se realiza en cristales semiconductores, por ejemplo, en un cristal de arseniuro de galio (GaAs).
Hay un número bastante grande de receptores de radiación de THz, y hasta el día de hoy hay una búsqueda de principios de detección alternativos.
Hasta hace poco, el rango de THz era de difícil acceso, pero con el desarrollo de la tecnología THz, la situación ha cambiado. Ahora hay espectrómetros THz ( espectrómetros y monocromadores de Fourier ) que operan en todo el rango de THz.
Su diseño utiliza algunas de las fuentes descritas anteriormente, receptores y elementos ópticos de THz, como rejillas de difracción de THz, lentes de plásticocuernos de enfoque , filtros de malla resonante de banda estrecha [22] Es posible utilizar prismas y otros elementos dispersivos. La técnica utilizada para la espectroscopia THz contiene características de técnicas para los rangos infrarrojos y de microondas vecinos, pero es única a su manera.
La radiación THz es un componente de la radiación térmica de varios objetos macroscópicos (por regla general, en la cola de longitud de onda larga de la distribución espectral). En el rango de THz, hay frecuencias de transiciones entre niveles de algunas sustancias inorgánicas (líneas de agua [23] , oxígeno, CO, por ejemplo), vibraciones de onda larga de redes de cristales iónicos y moleculares , vibraciones de flexión de moléculas largas , incluyendo polímeros y biopolímeros; frecuencias características de impurezas en dieléctricos, incluidos cristales láser; en los semiconductores, estas son las frecuencias correspondientes a las energías de enlace de los complejos de impurezas, excitones , transiciones de Zeeman y Stark de los estados excitados de las impurezas [24] . Las frecuencias de modos blandos en ferroeléctricos y las frecuencias correspondientes a la energía de los huecos en superconductores también están en el rango de THz [25] .
Es de interés estudiar magneto -bremsstrahlung (radiación de ciclotrón y sincrotrón ), magneto-deriva y radiación Cherenkov en este rango, que, bajo ciertas condiciones, hacen una contribución significativa al espectro total de radiación THz.
La radiación de THz ya se está utilizando en algunos tipos de actividades económicas y en la vida cotidiana de las personas.
Entonces, en los sistemas de seguridad, se usa para escanear equipaje y personas. A diferencia de los rayos X, la radiación THz no daña el cuerpo. Se puede usar para ver objetos de metal, cerámica, plástico y otros ocultos debajo de la ropa de una persona a distancias de hasta decenas de metros, por ejemplo, usando el sistema Tadar [26] . La longitud de onda de la radiación de exploración es de 3 mm.
El artículo [27] describe un método para obtener imágenes de objetos microscópicos usando radiación THz, gracias a lo cual los autores obtuvieron valores récord de sensibilidad y resolución.
Los tomógrafos THz [28] están comenzando a introducirse en la práctica médica , con la ayuda de los cuales es posible examinar las capas superiores del cuerpo (piel, vasos sanguíneos, músculos) a una profundidad de varios centímetros. Esto es necesario, por ejemplo, para obtener imágenes de tumores.
La mejora de las cámaras receptoras de THz permitirá obtener imágenes de superficies ocultas bajo capas de yeso o pintura, lo que, a su vez, permitirá restaurar “sin contacto” el aspecto original de las pinturas [29] .
En producción, la radiación de THz se puede utilizar para controlar la calidad de los productos fabricados y monitorizar equipos. Por ejemplo, es posible inspeccionar productos en envases de plástico, papel, transparentes en el espectro de THz, pero opacos en el visible.
Se considera la posibilidad de desarrollar sistemas de comunicación THz de alta velocidad [30] y localización THz para altitudes y espacios elevados.
La investigación en el campo de la espectroscopia THz de diversas sustancias es de gran importancia, lo que permitirá encontrar nuevas aplicaciones para las mismas.
Casi toda la radiación THz llega a la superficie de la Tierra desde el Sol. Sin embargo, debido a la fuerte absorción por parte del vapor de agua atmosférico, su poder es insignificante. Por lo tanto, de particular interés es el estudio del efecto de la radiación THz en un organismo vivo [31] .
Es de interés estudiar el espectro de radiación THz de los objetos astrofísicos, lo que permitirá obtener más información sobre ellos . En los Andes chilenos, a una altura de 5100 m, funciona el primer telescopio del mundo , que recibe radiación del Sol y otros cuerpos cósmicos en el rango de 0,2-1,5 mm.
Se están realizando avances en el campo de la elipsometría de THz [32] [33] , la holografía y los estudios de la interacción de la radiación de THz con metales y otras sustancias. Se estudia la propagación e interacción de plasmones THz en guías de ondas de varias configuraciones. Se está desarrollando la base del circuito THz; ya se han fabricado los primeros transistores THz . Estos estudios son necesarios, por ejemplo, para aumentar la frecuencia de operación de los procesadores al rango de THz.[ aclarar ]
El estudio de la radiación magnetobremsstrahlung THz proporcionará información sobre la estructura de la materia en un campo magnético fuerte (4-400 T).
También se están realizando desarrollos activos por orden de los servicios militares y especiales en radares de terahercios y sistemas de imágenes ópticas de radar que operan en el rango de terahercios, incluido el personal, que es un dispositivo óptico de radar basado en un radar de terahercios, en cuya pantalla el la imagen se muestra en el rango de terahercios. El uso de la radiación de terahercios en herramientas de visualización óptica de radar se puede utilizar para crear el siguiente tipo de dispositivos de visión nocturna , junto con otros métodos implementados, como un tubo intensificador de imagen , una cámara infrarroja, una cámara ultravioleta.
| Bandas de ondas de radio | ||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||