فیزیک و فناوری لیزرهای آبشار کوانتومی تراهرتز

منطقه طیفی THz: کاربردها و چشم اندازها

طیف تراهرتز (THz) ، همچنین به عنوان مادون قرمز دور شناخته می شود ، به طور متناوب دامنه فرکانس را از 0.1 تا 10 THz متناظر با فاصله طول موج از 30 تا 3000 میکرون طول موج طی می کند. برای فرکانس های تا چند صد گیگاهرتز ، اسیلاتورهای مبتنی بر دستگاه های مایکروویو الکترونیکی امروزه به طور عمده در چندین برنامه کاربردی استفاده می شوند. در طرف دیگر "شکاف تراهرتز" ، در منطقه نزدیک به اواسط IR ، لیزرهای نیمه هادی تا حد زیادی در دسترس هستند.   تمام این منابع مبتنی بر دستگاههای جمع و جور و حالت جامد هستند و به راحتی در دمای اتاق در حالت موج پیوسته (CW) کار می کنند. در حال حاضر ، علی رغم افزایش تدریجی علاقه به بسیاری از زمینه های استراتژیک و تأثیر فزاینده رشد تحقیقات THZ در صنعت بین الملل ، در حال حاضر ، بهره برداری گسترده از چندین کاربرد تابش THz هنوز به دلیل کمبود منابع تابش مناسب و درخشان مانع می شود. بازار.

یکی از کاربردهای سنتی تابش THz ، طیف سنجی است. بسیاری از گونه های شیمیایی دارای خطوط جذب چرخشی-ارتعاشی مشخصه بسیار قوی در THz هستند ، با مقاومت 103-106 برابر قوی تر از منطقه مایکروویو. طیف سنجی مادون قرمز در اصل با منابع حرارتی ناهماهنگ و طیف سنج های تبدیل فوریه با استفاده از تشخیص بولومتریک برودتی انجام شد. رویکردهای حساس را می توان با انتقال یا انعکاس پرتوهای تراه هرتز باند باریک ، تنظیم کرد. کمبود منابع منسجم در این محدوده ابتدا توسط لیزرهای FIR با فرکانس ثابت پمپ شده نوری پر شد. تولید نوارهای جانبی و مخلوط شدن با مایکروویو در دیودهای عایق فلزی - فلزی (MIM) پوشش وسیعی طیفی را با عرض و دقت سطح kHz فراهم می کنند ، اندازه گیری های دقیق فراوانی انتقال اتمی و مولکولی را تولید می کنند.

نجوم و علوم فضایی اولین زمین بازی اصلی فناوری THz بوده اند. به عنوان یک نمونه موضوعی ، نیمی از درخشندگی کل کهکشان ها و 98٪ فوتون های ساطع شده از زمان انفجار بزرگ در شکاف تراهرتز سقوط می کنند. سپس این تابش یک کاوشگر طبیعی از گرد و غبار میان ستاره ای خنک در داخل کهکشان ها است ، و مطالعه خطوط گسسته گونه های مولکولی نور می تواند بینش خوبی در مورد تشکیل و پوسیدگی ستاره ایجاد کند. علاوه بر این ، طیف سنجی گاز THz در استراتوسفر و تروپوسفر فوقانی برای مطالعه فرایندهای شیمیایی مربوط به کاهش ازن ، نظارت بر آلودگی و گرم شدن کره زمین مفید است. کاربردهای طیف سنجی مولکولی در طول سالها به سایر زمینه های تحقیقاتی و صنعتی گسترش یافته است ، از جمله برای مثال شناسایی و تعیین کمی مواد شیمیایی مختلف در انواع مواد مانند داروسازی یا حتی تشخیص فیوژن پلاسما.

فراتر از لیزرهای THz ، طیف سنجی و تصویربرداری T-Ray نیز با استفاده از تولید فرکانس اختلاف از دیودهای لیزر قابل مشاهده یا پالس های تراهرتز فوق کوتاه (باند پهن) تولید شده توسط تصحیح پالس های نوری و به طور منسجم با استفاده از روش هایی مانند نمونه برداری الکترواپتیکی شناسایی می شود به طور خاص ، تصویربرداری پیشرفت علمی و علاقه تجاری چشمگیری داشته است و یا با اسکن سریع نمونه و یا از طریق نمونه گیری دو بعدی فضای آزاد از آرایه های دستگاه کوپل شده (CCD) انجام می شود. تصویربرداری THz بسیار جذاب است زیرا بسیاری از موادی که در تراهرتز منتقل می شوند در فرکانسهای قابل مشاهده مات هستند و بالعکس. تصویربرداری پزشکی غیرتهاجمی از دندانها یا ملانوم زیر پوستی نشان داده شده است. نظارت بر سطح آب در گیاهان ، محتوای چربی در گوشت های بسته بندی شده و نقص تولید در داشبورد خودرو و کابل های ولتاژ بالا انجام شده است. این روش تجزیه و تحلیل به دلیل ماهیت غیر مخرب خود ، برای بسیاری از کاربردهای صنعتی (صنعت هوانوردی ، صنایع مکانیکی ، صنایع دارویی) که نیاز به جمع آوری اطلاعات با سرعت بالا ، نظارت بر روی خط و تجزیه و تحلیل نرم افزار دارد ، دارای پتانسیل است. کاربردهای دیگر شامل سنجش مولکول های زیستی (DNA ، پروتئین ها) ، ارتباطات بی سیم ، پردازش سیگنال با سرعت بالا است. بسیاری از برنامه های امنیتی نیز با استفاده از تابش THz ، مانند مدل سازی رادار و همچنین چمدان و افراد از طریق غربالگری نقطه برای تهدیدهای پنهان تحقق می یابند.