97432485 Promieniowanie Terahercowe Metody Generacji i Zastosowania Praca Magisterska Radoslaw...

download 97432485 Promieniowanie Terahercowe Metody Generacji i Zastosowania Praca Magisterska Radoslaw Szlazak

of 110

Transcript of 97432485 Promieniowanie Terahercowe Metody Generacji i Zastosowania Praca Magisterska Radoslaw...

  • Uniwersytet Marii Curie-Skodowskiej w Lublinie

    Wydzia Matematyki Fizyki i Informatyki

    Radosaw Szlzak

    PROMIENIOWANIE TERAHERCOWE. METODY

    GENERACJI I ZASTOSOWANIA

    Terahertz radiation. Methods of generation and applications

    Praca wykonana w Katedrze Fizyki Teoretycznej

    Instytutu Fizyki UMCS w Lublinie

    pod kierownictwem

    Prof. dr hab. Mirosawa Zaunego

    LUBLIN 2011

  • 2

    Z wyrazami szacunku, skadam serdeczne podzikowanie mojemu promotorowi,

    Panu Prof. dr hab. Mirosawowi Zaunemu za cenne rady, ogromn

    cierpliwo, nieustajc wyrozumiao, powicony czas i pomoc w pisaniu

    niniejszej pracy magisterskiej

  • 3

    Prac t dedykuje moim rodzicom, rodzestwu oraz Natalii

  • 4

    Spis treci

    1. Wprowadzenie ................................................................................................... 7

    1.1. Charakterystyka promieniowania terahercowego ....................................... 9

    1.2. Rys historyczny ......................................................................................... 14

    2. Podstawy teoretyczne ....................................................................................... 18

    2.1. Rwnanie falowe ....................................................................................... 20

    2.2. Przenikalno elektryczna i magnetyczna, wspczynnik zaamania ....... 21

    2.3 Propagacja fali w materiaach litych i zjawisko odbicia ............................ 24

    2.4. Oglne informacje na temat optyki liniowej ............................................ 28

    3. Metody generacji promieniowania terahercowego .......................................... 32

    3.1 Oscylator fali wstecznej (BWO - Backward Wave Oscillator) .................. 35

    3.2 Gyrotron ..................................................................................................... 37

    3.3 Lasery ......................................................................................................... 39

    3.3.1 Lasery czsteczkowe ........................................................................... 40

    3.3.1.1 Laser pracujcy w dalekiej podczerwieni - CO2 ........................... 42

    3.3.1.2 Lasery terahercowe ....................................................................... 44

    3.3.2 Laser na swobodnych elektronach (FEL - Free Electron Laser) ........ 46

    3.3.3 Kwantowy laser kaskadowy (QCL - Quantum Cascade Laser) ......... 49

    3.4 Dioda Gunna ............................................................................................... 51

    3.5 Dioda IMPATT (Impact Avalanche and Transit-Time diode) ................... 53

  • 5

    3.6 Antena fotoprzewodzca (PCA - Photoconductive antenna) ..................... 55

    4. Metody detekcji promieniowania terahercowego ............................................ 58

    4.1 Bolometry ................................................................................................... 59

    4.1.1 Bolometr metalowy ............................................................................. 60

    4.1.2 Bolometr nadprzewodnikowy .............................................................. 61

    4.1.3 Bolometr pprzewodnikowy .............................................................. 62

    4.1.4 Bolometr pprzewodnikowy termistrowy .......................................... 65

    4.1.5 Bolometr krzemowy ............................................................................ 66

    4.1.6 Bolometr kompozytowy ...................................................................... 67

    4.2 Antena fotoprzewodzca (PCA - Photoconductive antenna) ..................... 69

    4.3 Detektory piroelektryczne ......................................................................... 70

    4.4. Komrka Golaya ....................................................................................... 72

    4.5 Tranzystor HEMT (High Electron Mobility Transistor) ............................ 73

    5. Zastosowania .................................................................................................... 76

    5.1 Spektroskopia terahercowa ......................................................................... 78

    5.1.1 Spektroskopia w domenie czasu .......................................................... 80

    5.1.2 Spektroskopia fourierowska ............................................................... 81

    5. 2 Obrazowanie terahercowe ......................................................................... 83

    5.3 Zastosowania w astrofizyce ........................................................................ 85

    5.4 Komunikacja terahercowa .......................................................................... 87

    5.5 Meteorologia ............................................................................................... 88

    5.6 Zastosowania w biologii i medycynie ........................................................ 89

  • 6

    5.7 Systemy bezpieczestwa ........................................................................... 90

    5.8 Zastosowania militarne ............................................................................... 92

    5.9 Zastosowania w sztuce .............................................................................. 94

    Dodatek 1. Wyprowadzenie rwnania falowego z rwna Maxwella ................ 96

    Dodatek 2. Przenikalno elektryczna. Model Drudego. ................................... 100

    Dodatek 3. Laser femtosekundowy .................................................................... 104

    Bibliografia ........................................................................................................ 107

  • 7

    1. Wprowadzenie [1-3]

    Fale elektromagnetyczne towarzysz yciu czowieka praktycznie

    wszdzie i zawsze. Zaczynajc od prostego (chocia nie wprost oczywistego)

    przykadu rejestracji przez oko ludzkie wiata, odbioru audycji radiowych,

    codziennego korzystania z telefonii komrkowej, a na przewietleniach

    rentgenowskich koczc. Chocia mona przytoczy wiele przykadw z

    rnych dziedzin ycia, to czy je ten sam proces fizyczny - generowanie i

    odbieranie fal elektromagnetycznych. Jedyn rnic jest czstotliwo drga

    pola elektromagnetycznego omawianej fali. Ze wzgldu na rne waciwoci i

    zastosowania, podzielono widmo promieniowania elektromagnetycznego w

    zalenoci od dugoci fali na (zaczynajc od fal najkrtszych): promieniowanie

    gamma, promieniowanie rentgenowskie, ultrafiolet, wiato widzialne,

    podczerwie, mikrofale oraz fale radiowe. Naley take doda, e nie s to

    granice obustronnie zamknite, nie udowodniono aby istniaa najmniejsza lub

    najwiksza moliwa dugo fali. Take nie wystpuje ostry podzia midzy

    odpowiednimi pasmami, granice zakresw rnych rodzajw fal pokrywaj si

    dlatego niektre zjawiska, mona zaliczy do oddziaywania promieniowania o

    rnych nazwach. Charakterystyka i zakres odpowiednich pasm przedstawiony

    jest na rysunku 1.1.

    W przedmiotach codziennego uytku najczciej korzystamy z pasma

    radiowego (np. odbiorniki radiowo-telewizyjne), mikrofalowego (np. kuchenki

    mikrofalowe, telefony komrkowe, Internet bezprzewodowy) oraz z

    podczerwieni (np. piloty, czujniki ruchu, grzejniki). Dodatkowo bardzo szeroko

    wykorzystywane jest pasmo mikrofalowe i podczerwone w systemach

    bezpieczestwa, informatyce oraz w medycynie.

  • 8

    Rys. 1.1. Widmo promieniowania elektromagnetycznego i wybrane waciwoci

    poszczeglnych zakresw. [4]

    W zwizku z cigym rozwojem bada nad promieniowaniem

    elektromagnetycznym, a take wzrastajce zapotrzebowanie na nowe technologie

    spowodoway, e do wykorzystywanego ju spektrum fal elektromagnetycznych

    naleaoby doda jeszcze jeden zakres - promieniowanie terahercowe.

    Spowodowane jest to faktem, e cakiem niedawno udao si generowa

    promieniowanie o wystarczajcej mocy i spjnoci z zakresu terahercowego,

    ktre znalazo by szerokie zastosowanie. Pasmo te ma stanowi wypenienie luki

    midzy mikrofalami a podczerwieni dla urzdze, ktre dopiero od niedawna

    zostay technicznie wykorzystane.

    Niniejsza praca ma stanowi wprowadzenie do tematu, przedstawienie

    fizycznych waciwoci, oraz spodziewanych zjawisk zwizanych z

    promieniowaniem elektromagnetycznym o tej czstotliwoci. W pierwszych

    rozdziaach, przedstawiona zostanie charakterystyka promieniowania

    terahercowego, oraz krtki rys historyczny. Nastpnie przedstawione zostan

    podstawowe informacje teoretyczne, z zakresu elektromagnetyzmu, traktujce o

    zachowaniu i generacji fal elektromagnetycznych. Po czci teoretycznej,

    przedstawione zostan metody generacji, oraz opisy urzdze, ktre wytwarzaj

  • 9

    promieniowania terahercowe. W kolejnym rozdziale przedstawione zostan

    metody detekcji i przykadowe detektory. Na zakoczenie zaprezentowane

    zostan przykadowe zastosowania systemw, wykorzystujcych

    promieniowanie terahercowe

    1.1. Charakterystyka promieniowania terahercowego

    Promieniowanie terahercowe (w literaturze nazywane take: THz, T-rays,

    promienie T) jest promieniowaniem elektromagnetycznym, ktrego

    czstotliwo ley pomidzy mikrofalowym i podczerwonym zakresem spektrum

    elektromagnetycznego. Wartoci czstoci fal, ktre odpowiadaj temu pasmu

    powszechnie uznaje si zakres od 0,1 do 10 THz . Odpowiada to dugociom fal

    od 3000 do 30 m. Naley tutaj doda, e w niektrych publikacjach pasmo

    promieniowania terahercowego jest definiowane jako zakres od 1 do 10 THz lub

    od 0,3 do 30 THz. Wyrniany w literaturze jest czasem take zakres

    subterahercowy dla czstotliwoci od 0,1 do 0,3 THz, ale s to rzadkie

    przypadki. Zainteresowanie promieniowaniem terahercowym wzrasta, poniewa

    w tym zakresie ujawnia si wiele zjawisk fizycznych, do ktrych bada

    wymagana jest czsto interdyscyplinarna wiedza. Dodatkowo pasmo terahercowe

    rozdziela spektrum elektromagnetyczne ze wzgldu na wykorzystanie w zakresie

    fotoniki (od strony fal podczerwonych), oraz elektroniki (od strony mikrofal).

    Obecnie znane s ju zastosowania w zakresie obrazowania medycznego,

    systemw bezpieczestwa, spektroskopii, obserwacji astronomicznych,

    reflektografii, kontroli jakoci i defektoskopii. Promieniowanie terahercowe

    odgrywa coraz wiksz rol w astrofizyce, poniewa promieniowanie w tym

    zakresie wypenia okoo poow jasnoci wszechwiata i 98% fotonw

    wyemitowanych od Wielkiego Wybuchu mieci si w tym przedziale

    czstotliwoci. Trzeba jednak przyzna, e moliwoci aparatury terahercowej

    wci jeszcze nie dorwnuj stosowanym od dawna analogicznym urzdzeniom

    pracujcym w zakresie podczerwieni i mikrofal. Spowodowane jest to wci

  • 10

    istniejcymi problemami formowania bardziej zbienych impulsw

    terahercowych. Jednak postp technologiczny jaki dokonuje si obecnie, pozwala

    na coraz to szybsze poprawienie jakoci tych urzdze. Widmo promieniowania

    elektromagnetycznego z uwzgldnionym pasmem terahercowym przedstawione

    jest na rysunku 1.1.1.

    Rys. 1.1.1. Widmo elektromagnetyczne z uwzgldnieniem zakresu

    promieniowania terahercowego.

    Charakterystyczne parametry dla fal o czstociach 0,1 THz, 1 THz oraz 10 THz

    przedstawione zostay w tabeli 1.1.1

    Tabela 1.1.1. Charakterystyczne wielkoci zwizane z promieniowaniem

    terahercowym

    Czsto

    Dugo

    fali

    Okres

    Czsto

    koowa

    Energia

    fotonu

    Temperatura

    Liczba

    falowa

    0,1 THz 3000 m 10 ps 0,628 THz 0,414 meV 4,8 K 3,33 cm -1

    1 THz 300 m 1 ps 6,28 THz 4,14 meV 48 K 33,3 cm -1

    10 THz 30 m 0,1 ps 62,8 THz 41,4 meV 480 K 333,3 cm -1

    gdzie: c - prdko wiata, kB - staa Boltzmana, h - staa Plancka.

  • 11

    Naley doda, e podana w tabeli liczba falowa, jest wartoci uywan w

    spektroskopii. Zaleno midzy ktow liczb falow k, a spektroskopow

    liczb falow , wyraa si wzorem :

    .

    Do rde promieniowania terahercowego wystpujcych naturalnie w

    przyrodzie mona zaliczy kosmiczne promieniowanie ta. Okoo poowy

    promieniowania jakie jest we wszechwiecie jest w zakresie terahercowym,

    a 98% wyemitowanych fotonw podczas Wielkiego Wybuchu pochodzi wanie

    z tego zakresu. Take fragment z widma promieniowania cia doskonale

    czarnych jest w zakresie czstotliwoci terahercowych, jak wida z tabeli 1.1.1

    maksima promieniowania termicznego w zakresie terahercowym mieszcz si

    pomidzy 4,8 K i 480 K (co odpowiada od -268C do +207C). Niestety,

    wikszo z tych rde jest niespjna, oraz o bardzo niskim nateniu i mocy.

    Oznacza to, e nie da si ich w praktyce wykorzysta, mona jedynie je

    rejestrowa i analizowa.

    W zakresie terahercowym, drgania midzyczsteczkowe, wewntrz

    czsteczkowe oraz rotacje czsteczek maj swoje linie widmowe. Podczas gdy

    promieniowanie termalne w zakresie podczerwieni pochodzi od spontanicznych

    przej elektronw na powoce, to promieniowanie terahercowe jest wynikiem

    wibracji i rotacji moleku gazw, cieczy i staych zwizkw chemicznych.

    Dziki temu, promienie z zakresu terahercowego tworz charakterystyczne dla

    danego zwizku rezonanse pozwalajce je bezporednio identyfikowa. Ze

    wzgldu, e energie fotonw mieszcz si w przedziale od 0,414 do 41,4 meV,

    promienie terahercowe maj charakter niejonizujcy. Oznacza to brak

    szkodliwego oddziaywania na organizmy ywe, co mona zastosowa w

    bezpiecznych technikach obrazowania narzdw wewntrznych, a w niektrych

    przypadkach pozwala zastpi przewietlenia rentgenowskie w medycynie.

    Jednym z najwikszych problemw w systemach terahercowych jest zagadnienie

    dalekiego zasigu. Problem ten wynika z powodu silnego tumienia fal o

    czstotliwociach terahercowych przez wod zawart w atmosferze, co

    uniemoliwia wysyanie tego typu promieniowania na odlegoci wiksze ni

  • 12

    rednio 300 400 m. Take rozpraszanie na czsteczkach pyu, ktre znajduj

    si w atmosferze znaczco utrudniaj propagacj fali. Warto doda, e im

    wiksza jest czstotliwo promieniowania elektromagnetycznego tym silniejsze

    jest rozpraszanie na czsteczkach. Zaleno t wida ju dla dwch skrajnych

    czstotliwoci (10 THz i 0,1 THz) w zakresie promieniowania terahercowego.

    Zasig ten jeszcze bardziej si zmniejsza gdy jest zwikszona wilgotno

    powietrza, zachmurzenie, mga, opady i zanieczyszczenia. Tumienie

    atmosferyczne dla rnych warunkw pogodowych przedstawiono na

    rysunku 1.1.2. Wykres ten przedstawia zaleno czstotliwoci od tumienia, w

    danych warunkach pogodowych. Najbardziej niesprzyjajce warunki dla

    propagacji fal o czstociach terahercowych s w gorcym klimacie tropikalnym,

    gdzie zarwno wilgotno jak i zawarto pyw jest wysoka.

    Rys. 1.1.2. Tumienie atmosferyczne na poziomie morza dla szeciu rnych

    warunkw pogodowych zakresu terahercowego (STD odchylenie standardowe,

    Humid wysoka wilgotno, Winter niskie temperatury, Fog zamglenie,

    Dust- obecno pyw, Rain deszcz) [3]

  • 13

    W cigu ostatnich trzech dekad bada dowiadczalnych nad

    promieniowaniem terahercowym, ustalono jego siedem podstawowych

    wasnoci:

    Promieniowanie przenika przez wikszo niemetalicznych i niepolarnych

    substancji, oznacza to, e mona za pomoc systemw terahercowych

    analizowa zwarto opakowa bez potrzeby ich otwierania, czy te

    obserwowa proces gojenia rany bez przymusu zdejmowania opatrunku.

    Materiay istotne z punktu widzenia bezpieczestwa takie jak materiay

    wybuchowe, rodki chemiczne i bro biologiczna maj swoje

    charakterystyki widmowe w zakresie pasma terahercowego. Znajomo

    tych sygnatur widmowych mona wykorzysta do identyfikacji

    podejrzanych materiaw przy pomocy spektroskopii terahercowej.

    Niejonizujcy charakter promieniowania terahercowego nie stanowi

    ryzyka defektw komrek na poziomie molekularnym podczas ekspozycji

    organizmu ywego na promieniowanie. Dziki tej wasnoci jest

    moliwo wyeliminowania aparatw rentgenowskich z niektrych

    obszarw bada medycznych.

    Promieniowanie jest silnie absorbowane przez wod, czyli take przez

    atmosfer ziemsk. Stanowi to problem w pomiarach promieniowania ta

    kosmicznego, poniewa detektory musz znajdowa si ponad warstw

    atmosfery. Ograniczony jest take zasig penetracji w organizmach

    ywych, ze wzgldu na due iloci wody w tkankach.

    Bardzo wysoki wspczynnik odbicia fal od powierzchni metalicznych.

    Oznacza to wykorzystanie w systemach ochrony i nadzoru do wykrywania

    ukrytych pojazdw, amunicji, min, broni oraz innych metalicznych

    przedmiotw majcych znaczenie ze wzgldw bezpieczestwa.

    Niski poziom rozpraszania fal terahercowych (dla najmniejszych

    czstotliwoci) oraz ich kierunkowo powoduje, e sygnay te mog by

    uyte w komunikacji.

  • 14

    Promieniowanie terahercowe jest znacznie atwiejsze do skupienia i

    skolimowania ni fale radiowe, dziki czemu atwiej uzyska wiksz

    intensywno wizki.

    Ze wzgldu na to, e pasmo terahercowe ley pomidzy submilimetrowymi

    mikrofalami, a dalek podczerwieni, czenie technologii z obu zakresw moe

    by stosowane do opracowania nowych technologii terahercowych.

    1.2. Rys historyczny

    Historia bada i wykorzystania promieniowania terahercowego jest cile

    zwizana z rozwojem wiedzy nad promieniowaniem podczerwonym i

    mikrofalowym. Pierwsze badania nad dalek podczerwieni miay miejsce w

    1881 roku, gdy astronom Samuel Pierpont Langley (1834-1906) skonstruowa

    pierwszy bolometr. Wikszo wczesnych prac na temat dalekiej podczerwieni,

    zostay wykonane przez Heinricha Rubensa (1865-1922), ktrego badania nad

    promieniowaniem resztkowym (reststrahlen) miay kluczowe znaczenie dla

    teorii promieniowania ciaa doskonale czarnego, stworzonej przez Plancka. Od

    czasu wynalezienia urzdze z multipleksowym podziaem czstotliwoci (FDM

    Frequency Division Multiplexing) w 1949 roku, spektroskopia transformaty

    Fouriera w dalekiej podczerwieni, staa si standardowym narzdziem w chemii

    fizycznej. W drugiej poowie XX wieku skonstruowano kilka rde i detektorw

    promieniowania terahercowego, jak na przykad komrki Golaya. detektory

    piroelektryczne, kaskadowe lasery kwantowe. Nowoczesne rda polegajce na

    pulsacyjnym wytwarzaniu promieniowania terahercowego, pochodz z prac

    Austona, Nussa i Grishkowskyego, ktrzy badali przeczniki fotoprzewodzce

    oraz emisj dalekiej podczerwienie na nieliniowych krysztaach w latach 80 XX

    wieku. Dziki tym pionierskim pracom, anteny fotoprzewodzce stay si

    obecnie jednym z dwch najbardziej popularnych metod wytwarzania i detekcji

  • 15

    koherentnych impulsw terahercowych z wysok czuoci. Druga popularna

    metoda polega na generacji szerokopasmowego promieniowania terahercowego

    przez rektyfikacje optyczn. Koncepcja wykorzystania promieniowania

    terahercowego w przemyle pojawiaa si w latach 70 XX wieku. Po raz

    pierwszy zakres terahercowy w spektrum elektromagnetycznym okreli w 1974

    roku J.W. Fleming, przy opisie czstotliwoci linii widmowych [5]. Mimo

    wczeniejszych prac teoretycznych na ten temat, ktre sigaj poowy lat 20 XX

    wieku (np. praca E. J. Nicholsa i J. D. Teara z 1925 roku [6]), rozwj

    technologii terahercowych wstrzymywa brak odpowiedniego sprztu. Jeszcze

    trzy dekady temu, wiksza cz pasma THz nie bya szczeglnie uywana,

    poniewa praktycznie nie istniay odpowiednie nadajniki do emitowania

    konkretnych czstotliwoci. Podobna sytuacja bya dla niewielkiej iloci

    odbiornikw, ktre zbieray by sygna i odpowiednio go przetwarzay.

    Pocztkowo uywano technik ze znanych ju systemw mikrofalowych i

    podczerwonych, prbujc przesun reim pracy w kierunku czstotliwoci

    terahercowych, tzn. 0,1 - 10 THz. Pierwszymi urzdzeniami ktre ten warunek

    speniay by oscylatory fali wstecznej (BWO - Backward Wave Oscillator),

    nazywane take karcinotronami. Jest to generacyjna lampa mikrofalowa, bdca

    rodzajem lampy o fali wstecznej. Wyrnia si dwa rodzaje BWO - typu M (z

    polem magnetycznym poprzecznym wzgldem osi lampy) oraz typu O (pole

    magnetyczne skierowane jest rwnolegle do osi lampy). Typ M zosta

    zaprezentowany po raz pierwszy 1951 roku przez Bernarda Epszteina, a rok

    pniej Rudolf Kompfner skonstruowa typ O. Lampy te, charakteryzuj si

    moliwoci zmiany generowanej czstotliwoci promieniowania mikrofalowego

    w szerokim zakresie. Innym urzdzeniem, ktre powstao na pocztku lat 60 XX

    wieku by gyrotron, pocztkowo suy do wytwarzania fal mikrofalowych o

    niskiej mocy (rzdu miliwatw), lecz z biegiem czasu zarwno reim pracy jak i

    moc znaczco si zwikszyy.

    Pierwszymi urzdzeniami generujcymi promieniowanie zbliajce si do

    zakresu terahercowego tyle, e od strony podczerwonej byy lasery gazowe.

    Pierwszy laser gazowy zosta wynaleziony w 1960 roku przez Ali Javana i

  • 16

    Williama R. Bennetta, Jr. W laserze tym, gazem roboczym bya mieszanina helu

    i neonu, co pozwalao na emisje promieniowania o dugoci fali 632,8 nm

    (czerwie) lub 1,15 m (podczerwie). Dopiero zmiana gazu roboczego na

    dwutlenek wgla, pozwolia si zbliy do pasma terahercowego. Dokona tego

    w 1964 roku Kumar Patel. Laser CO2 produkuje fale o dugoci 10,6 m.

    Kolejnym krokiem byo uycie pprzewodnikw do generowania impulsw

    terahercowych. Przykadem takiego urzdzenia s dioda Gunna i dioda IMPATT,

    uywane od poowy lat 60 XX wieku. Diody te, pocztkowo wykorzystywana do

    generowania mikrofal, z biegiem czasu zostaa dostosowywana do generowania

    take czstotliwoci terahercowych, co osignito w latach 90. Take prac nad

    tranzystorem HEMT, sucego do detekcji promieniowania z zakresu od

    mikrofal do podczerwieni, ktrych pocztki sigaj roku 1969, zaczy przynosi

    praktyczne efekty dopiero w latach 80 XX wieku. Podobnie byo z laserem na

    swobodnych elektronach (FEL - Free Electron Laser), ktry zosta

    skonstruowany w 1976 przez Johna Madeya i pocztkowo generowa mikrofale.

    W 1994 Federico Capasso konstruuje kwantowy laser kaskadowy (QCL -

    Quantum Cascade Laser). Laser ten musia by chodzony do temperatur

    helowych. Natomiast w 2008 roku naukowcy z Uniwersytetu Harvarda wraz z

    Capasso stworzyli pierwszy terahercowy laser (typu QCL), ktry pracuje w

    temperaturze pokojowej. Praktyczne zastosowania zaczy si pojawia w latach

    90 XX wieku. W 1995 roku, pod kierownictwem Nuss i Hu skonstruowano

    pierwsze urzdzenie obrazujce w zakresie terahercowym. Na rysunku 1.2.1

    przedstawiono zblianie si do zakresu terahercowego dla wybranych

    generatorw, od roku 1960. Jak wida, najbardziej intensywny rozwj

    technologii terahercowych przypada na ostatnie dwie dekady. Zwizane jest to

    bezporednio z dwoma faktami - rozwj technologii pprzewodnikowej oraz

    fakt, e dopiero wtedy zakres ten zosta "odkryty" dla systemw bezpieczestwa,

    a sytuacja zwizana z zagroeniem terroryzmem na wiecie, jeszcze bardziej

    przyspieszya badania nad technologiami zabezpiecze i kontroli.

  • 17

    Rys. 1.2.1. Rozwj technologii generowania promieni terahercowych od roku

    1960. [2]

    Zasada dziaania przedstawionych wyej urzdze bdzie

    szczegowo omwiona w rozdziaach dotyczcych wytwarzania i detekcji

    promieniowania terahercowego.

    Tabela 1.2.1. Kalendarium zbliania si do zakresu oraz rozwoju technologii

    terahercowych.

    Rok Urzdzenie Zakres czstotliwoci

    1881 Bolometr podczerwie

    Lata 50 XX wieku Komrka Golaya mikrofale - podczerwie

    Lata 60 XX wieku BWO 0,01 - 1 THz

    Lata 60 XX wieku Gyrotron 0,001 - 0,3 THz

    Lata 60 XX wieku Dioda Gunna/IMPATT 0,001 - 1 THz

    1964 Laser CO2 28, 30 THz

    1976 FEL mikrofale - promieniowanie X

    Lata 80 XX wieku HEMT mikrofale - podczerwie

    Lata 80 XX wieku PCA zakres terahercowy

    1994 QCL 1 - 100 THz

  • 18

    2. Podstawy teoretyczne [1-2,7-8]

    Podobnie jak wszystkie fale elektromagnetyczne, promieniowanie

    terahercowe opisane jest rwnie przez rwnania Maxwella. Rwnania te,

    stanowi matematyczny opis praw dowiadczalnych z zakresu elektrodynamiki

    klasycznej (prawa Gaussa, prawo Faradaya, prawo Ampera), ktre zostay

    uzupenione przez Jamesa Clerka Maxwella w 1861 roku, hipotez o prdzie

    przesunicia. Rwnania Maxwella s rwnaniami fenomenologicznymi. Wynika

    to z faktu, e w czasach gdy je formuowano nie znana bya jeszcze atomowa

    struktura materii. Makroskopowa posta tych rwna, to znaczy uredniona po

    obszarze wielu atomw jest wyraana wzorami:

    (2.1)

    (2.2)

    (2.3)

    (2.4)

    gdzie: - natenie pola elektrycznego,

    - indukcja pola magnetycznego,

    - natenie pola magnetycznego,

    - indukcja pola elektrycznego,

    - gsto prdu,

    - gsto adunku.

    Makroskopowe pola wektorowe oraz s powizane z polami i

    zalenociami:

  • 19

    (2.5)

    (2.6)

    gdzie: - polaryzacja elektryczna,

    - magnetyzacja,

    i s odpowiednio przenikalnoci elektryczn i magnetyczn w

    orodku (indeks dolny o wartoci 0 przy i oznacza e orodkiem jest

    prnia).

    W oglnoci wektor polaryzacji elektrycznej zdefiniowany jest jako suma

    momentw dipolowych na element objtoci. Z kolei magnetyzacja definiowana

    jest jako wielko wektorowa rwna stosunkowi caego momentu

    magnetycznego ciaa do jego objtoci.

    Wektory i opisuj stan wzbudzenia poszczeglnych pl

    elektrycznych i magnetycznych, natomiast wektory i oraz gsto prdu

    uwzgldniaj obecno orodka materialnego. Wartoci staych i cile

    wynikaj z atomowej struktury materii. Polaryzacja oraz magnetyzacja zawieraj

    informacje na temat wasnoci elektromagnetycznych materii w skali

    mikroskopowej.

    Pierwsze rwnanie Maxwella (2.1), mwi, e rotacja pola elektrycznego

    rwna si zmianie indukcji pola magnetycznego w czasie. Oznacza to, e

    zmienne w czasie pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne.

    Kierunek i zwrot wytworzonego pola elektrycznego jest jednoznacznie okrelony

    i jest taki, e jeeli wektor wskazuje kierunek ruchu postpowego ruby

    prawoskrtnej to kierunek i zwrot wektora jest przeciwny do ruchu

    obrotowego tej ruby.

    Drugie rwnanie Maxwella (2.2), wykazuje, e dywergencja pola

    magnetycznego jest rwna zeru, a to oznacza e pole magnetyczne jest

    bezrdowe nie istniej adunki (monopole) magnetyczne.

    Trzecie prawo Maxwella (2.3) mwi, e rotacja natenia pola

  • 20

    magnetycznego rwna si gstoci prdw swobodnych. Prdami swobodnymi

    nazywane si wszelkie prdy, oprcz prdw molekularnych, poniewa prdy

    molekularne uwzgldnione s w wektorze . Wniosek z tego rwnania jest taki,

    e prd elektryczny i zmienne w czasie pole elektryczne wytwarzaj wirowe pole

    magnetyczne.

    Czwarte prawo Maxwella (2.4) pokazuje, e dywergencja indukcji pola

    elektrycznego jest rwna gstoci objtociowej adunkw swobodnych. adunki

    zwizane w atomach orodka uwzgldnione s w wektorze . Oznacza to, e

    rdem pola elektrycznego s adunki elektryczne.

    Naley take doda, e rwnania (2.5) oraz (2.6) s prawdziwe tylko w

    orodkach liniowych i izotropowych.

    2.1. Rwnanie falowe

    Odpowiednio przeksztacajc rwnania Maxwella, moemy otrzyma

    rwnanie falowe. Rwnania te pokazuj, e pola elektryczne i magnetyczne s ze

    sob nierozerwalnie zwizane. Pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne,

    natomiast pole magnetyczne indukuje pole elektryczne. Rwnanie falowe dla

    orodka materialnego przyjmuj posta:

    (2.1.1)

    (2.1.2)

    Gdzie: przewodno elektryczna.

    Przewodno elektryczna definiowana jest przez zaleno:

    (2.1.3)

    Rozwizaniami rwna (2.1.1) i (2.1.2) jest liniowo spolaryzowana,

    monochromatyczna fala zalena od pooenia i czasu :

  • 21

    ( ) ( ) (2.1.4)

    ( ) ( ) (2.1.5)

    Gdzie: - czsto koowa ,

    - wektor falowy | |

    .

    Zwizek dyspersyjny, mona uzyska podstawiajc odpowiednio do

    rwnania falowego jego rozwizanie:

    (2.1.5)

    Jak wida, rwnania dla pola elektrycznego oraz s matematycznie

    takie same, co oznacza e pola te s wzajemnie ze sob powizane. Sposb w

    jaki mona wyprowadzi z rwna Maxwella rwnanie falowe, jest

    przedstawiony w Dodatku 1.

    2.2. Przenikalno elektryczna i magnetyczna, wspczynnik

    zaamania

    W elektrodynamice wyrniamy przenikalno elektryczn , ktra

    charakteryzuje waciwoci elektryczne orodka oraz przenikalno magnetyczn

    , ktra analogicznie okrela waciwoci magnetyczne materiau. Punktem

    odniesienia jest warto tych parametrw dla prni, gdzie parametr ten jest

    najmniejszy. Przenikalno elektryczna prni wynosi = 8,854187817 10-

    12 F/m, natomiast warto przenikalnoci magnetycznej prni wynosi

    = 12,566370614 10-7

    Vs/Am. Wartoci te, zostay podane przez Komitet

    Danych dla Nauki i Techniki (CODATA) i s zatwierdzone jako stae fizyczne.

    W oglnoci przenikalno elektryczna i magnetyczna s tensorami drugiego

    rzdu, lecz w orodkach izotropowych redukuje si do skalara. W orodkach

    jednorodnych tensory przenikalnoci elektrycznej i magnetycznej nie zale od

    wektora pooenia, czyli s takie same w kadym punkcie orodka, w

  • 22

    materiaach niejednorodnych mog zmienia si od punktu do punktu.

    Przenikalno elektryczna poszczeglnych orodkw czsto okrela si

    poprzez bezwymiarow warto przenikalnoci elektrycznej wzgldnej,

    oznaczanej jako r. Wielko ta wskazuje, ile razy przenikalno (bezwzgldna)

    orodka jest wiksza, od przenikalnoci elektrycznej prni:

    (2.2.1)

    Wspczynnik r, nazywany take sta elektryczn orodka, przyjmuje wartoci

    od 1 (dla prni i silnie rozrzedzonych gazw) do dziesitek tysicy (dla

    ferroelektrykw). Im wiksza jest przenikalno elektryczna orodka, tym

    wiksza warto indukcji wywoana przy tym samym nateniu pola

    elektrycznego . Std zastosowanie dielektrykw o duej wartoci r zmniejsza

    si oddziaywania elektrostatycznego pomidzy adunkami elektrycznymi. Tym

    samym powoduje zwikszenie pojemnoci ukadw przewodnikw, co

    wykorzystuje si w konstrukcji kondensatorw.

    Jeli czsto fali, a zarazem zmiennego pola elektrycznego, jest

    porwnywalna z czstoci drga wasnych jonw lub z czstoci drga

    wasnych elektronw (czsto plazmowa), to przenikalno elektryczna bdzie

    zalee od czstotliwoci fali. Wynika to z faktu, e pole elektryczne oddziaujc

    na adunki elektryczne zmienia polaryzacje orodka. Zaleno midzy wartoci

    przenikalnoci elektrycznej, a czstoci fali elektromagnetycznej , wyraa

    rwnanie:

    ( ) (

    ( )) (2.2.2)

    Gdzie: - przenikalno elektryczna ta (w przypadku braku swobodnych

    elektronw)

    - czsto plazmowa,

    =

    , gdzie redni czas pomidzy zderzeniami.

  • 23

    Wicej informacji na temat przenikalnoci elektrycznej podane jest w

    Dodatku 2.

    Analogicznie jak w przypadku przenikalnoci elektrycznej, przenikalno

    magnetyczna orodkw materialnych jest to wielko okrelajca zdolno

    danego materiau do zmiany indukcji magnetycznej pod wpywem natenia pola

    magnetycznego. Warto przenikalnoci magnetycznej wzgldnej jest rwna

    stosunkowi przenikalnoci magnetycznej, do przenikalnoci magnetycznej w

    prni :

    (2.2.3)

    Dla prni przenikalno wzgldna jest rwna dokadnie 1. Dla

    paramagnetykw przenikalno wzgldna jest niewiele wiksza od 1, dla

    diamagnetykw jest niewiele mniejsza od jednoci - dla obydwu tych typw

    orodkw rnica jest na tyle niewielka, e w zastosowaniach technicznych

    czsto si j zaniedbuje przyjmujc warto rwn 1. Inaczej jest w przypadku

    ferromagnetykw, ktrych przenikalno wzgldna moe by rzdu 106.

    Wartoci przenikalnoci elektrycznej i magnetycznej wyznaczaj

    prdko v rozchodzenia si fal elektromagnetycznych w orodku:

    (2.2.4)

    Oprcz przenikalnoci elektrycznej i magnetycznej ktre charakteryzuj

    struktur atomow materiau przez ktry przechodzi fala elektromagnetyczna, do

    opisu rozchodzenia si fali wietlnej uywa wspczynnika zaamania.

    Wspczynnik zaamania jest miar zmiany prdkoci fazowej fali

    elektromagnetycznej w jednym orodku, w stosunku do prdkoci w drugim

    orodku.

    (2.2.5)

  • 24

    Gdzie: prdko fazowa fali w orodku, w ktrym fala rozchodzi si na

    pocztku,

    prdko fazowa fali w orodku, w ktrym fala rozchodzi si po

    zaamaniu.

    Poniewa w prni fala elektromagnetyczna propaguje si najszybciej, jest

    orodkiem odniesienia przy okrelaniu wspczynnika zaamania wiata.

    Stosunek prdkoci wiat w prni do prdkoci w dowolnym innym

    orodku, nazywa si bezwzgldnym wspczynnikiem zaamania

    Wspczynnik zaamania wie si bezporednio z ktami z jakimi fala pada i

    zaamuje si, co wyraa prawo Snelliusa:

    (2.2.6)

    Gdzie: kt padania (pomidzy normaln do powierzchni, a promieniem

    padajcym),

    kt zaamania (pomidzy normaln do powierzchni, a promieniem

    odbitym).

    Zwizek pomidzy wspczynnikiem zaamania, a przenikalnoci elektryczna i

    magnetyczn jest dany zalenoci:

    (2.2.7)

    2.3 Propagacja fali w materiaach litych i zjawisko odbicia

    Propagacja fali elektromagnetycznej w przewodniku jest zupenie inna ni

    w orodku dielektrycznym. W przypadku materiau o przewodnoci o wiele

    mniejszej ni iloczyn przenikalnoci elektrycznej i czstoci koowej ( ),

    zwizek dyspersyjny mona zapisa w postaci:

  • 25

    (2.3.1)

    W tym przypadku amplituda wektora falowego bdzie liczb zespolon:

    ( ) (2.3.2)

    Oznacza to, e fala elektromagnetyczna padajca na przewodnik, pole

    elektryczne zanika wykadniczo z dugoci tumienia , nazywan take

    gbokoci penetracji.

    (2.3.3)

    Wikszo metali zachowuj si jak przewodniki idealne dla fal

    terahercowych. Oznacza to, e pole elektryczne jest bardzo szybko tumione.

    Dla przykadu, gboko penetracji dla miedzi wynosi = 0,07 m, dla fali o

    czstotliwoci 1 THz. Jak wida, wielko ta jest praktycznie znikoma w

    porwnaniu z dugoci fali w prni wynoszcej 300 m. W tabeli 2.4.1.

    wyliczono wartoci gbokoci penetracji wybranych orodkw skadajcych si

    z tych samych pierwiastkw na podstawie ich przewodnoci w temperaturze

    pokojowej. Dla uatwienia oblicze, dla kadego pierwiastka zaoono, e: 1

    H/m, = 6,28 THz

    Tabela 2.4.1. Zestawienie parametru dla rnych pierwiastkw.[2]

    Pierwiastek Przewodno [cm ]

    w temperaturze 20C

    Gboko penetracji

    [m]

    Mied 0,596 106 0,07

    Zoto 0,452 106 0,08

    Glin 0,377 106 0,09

    Magnez 0,226 106 0,12

    Cynk 0,166 106 0,14

    Gal 0,678 105 0,22

    Ow 0,481 105 0,26

    Rt 0,104 105 0,55

  • 26

    Gdy fala elektromagnetyczna odbija si lub przechodzi przez dwa liniowe

    orodki, rwnolega skadowa zarwno wektora oraz jest ciga na granicy

    orodkw. Zalenoci pomidzy wektorami oraz dla fali padajcej wyraaj

    para rwna rwnania:

    ( )

    ( ) (2.3.4)

    Dla fali odbitej, wektory te speniaj zaleno:

    ( )

    ( ) (2.3.5)

    Oraz dla fali przechodzcej wektory i przyjmuj posta:

    ( )

    ( ) (2.3.6)

    Gdzie: i s prdkociami rozchodzenia si fali w danym orodku.

    Na rysunku 2.3.1. przedstawiona jest zjawisko odbicia i przejcia fali

    przez orodek. Zaznaczone s promienie: padajcy (indeks dolny I), odbity

    (indeks dolny R), oraz promie przechodzcy przez orodek (indeks dolny T).

    Polaryzacja typu s, oznacza, e w polaryzacja, czyli ograniczone w jednym

    kierunku drgania wektora elektrycznego, padajcej fali jest prostopada do

    paszczyzny padania. Polaryzacja typu p, oznacza natomiast, e polaryzacja

    padajcej fali jest rwnolega do paszczyzny padania.

  • 27

    Rys. 2.3.1. Odbicie i przejcie fali o polaryzacjach typu s i p w rnych

    orodkach [1]

    . Ostatecznie, warunki brzegowe determinuj zaleno pomidzy

    amplitudami fal odbitych i przechodzcych. Zalenoci te opisuj rwnania

    Fresnela:

    Dla polaryzacji typu s:

    (2.3.7)

    Dla polaryzacji typu p:

    (2.3.8)

    Gdzie: i s wspczynnikami zaamania odpowiednich orodkw.

    Wspczynniki odbicia i transmisji oblicza si wedug wzorw:

    | |

    | | (2.3.9)

    | |

    | | (2.3.10)

    Wspczynniki te, jak wida z rwna Fresnela (2.3.7) i (2.3.8), zalene s od

    kta padania. Na rysunku 2.3.2 przedstawiony zosta przykadowy wykres

    przedstawiajcy zaleno wspczynnikw odbicia i transmisji od kta

  • 28

    padajcego promienia. Wspczynniki zaamania w tym przypadku wynosz

    odpowiednio: oraz .

    Rys. 2.3.2. Zaleno wartoci wspczynnikw odbicia i transmisji w zalenoci

    od kta padania dla polaryzacji typu p i s[1]

    2.4. Oglne informacje na temat optyki liniowej [9-10]

    Zagadnienia optyki nieliniowej s do skomplikowane i nie nale do

    gwnego tematu tej pracy. Mimo to, warto przedstawi oglne informacje na ten

    temat, ze wzgldu na fakt, e procesy nieliniowe wykorzystywane s m.in. do

    generacji promieniowania terahercowego.

    Nieliniowe zjawiska optyczne, s to zjawiska, ktrych przebieg

    zaley od natenia promieniowania. W tym dziale optyki, objte s zjawiska nie

    speniajce zasady liniowej superpozycji fal. Znane z optyki liniowej rwnania

    materiaowe s jedynie pierwszym przyblieniem. Przyblienie jest suszne

    dopki stosunek amplitudy pola padajcej fali elektromagnetycznej do

    wartoci pola wewntrznego jest niewielk wartoci. Pole jest

  • 29

    odpowiedzialne za oddziaywania wice elektron z atomami w orodku.

    Wartoci tego pola s rzdu okoo od 109 do 1011 V/m, dla porwnania natenie

    pola wiata sonecznego wynosi okoo 600 V/m. Z drugiej strony, natenie pola

    elektrycznego w falach elektromagnetycznych wygenerowanych przez lasery,

    moe przyjmowa podobne wartoci. W tym przypadku, pola o takich

    nateniach nie mona pomija przy opisie oddziaywania fal z orodkiem.

    Rwnania materiaowe zastpowane s wtedy bardziej zoonymi zalenociami.

    O ile przy maym nateniu pojawia si polaryzacja proporcjonalna do E, o tyle

    przy duych nateniach, na warto polaryzacji nakada si oscylacja,

    proporcjonalna do En, czyli nieliniowo:

    (2.4.1)

    Gdzie: makroskopowa polaryzowalno liniowa,

    polaryzowalno drugiego rzdu,

    polaryzowalno trzeciego rzdu,

    .

    Pojawiajce si oscylacje s rdem tzw. drugiej i wyszych

    harmonicznych. Dla fal o dugociach poniej kilku mikrometrw, jedynie

    elektrony s odpowiedzialne za oscylujc polaryzacj. W tym zakresie dugoci

    fal oddziaywania nieliniowe s najbardziej wydajne. Wektor wymuszonej

    polaryzacji drga z czstoci wymuszajcego promieniowania, co prowadzi do

    emisji promieniowania o tej samej czstoci i kierunku prostopadym do

    drgajcego dipola. Jeli prdko propagacji drugiej harmonicznej jest taka sama,

    pozostaj one w fazie i stale jest podtrzymywana generacja drugiej i wyszych

    harmonicznych. Moe to zachodzi jedynie w okrelonych kierunkach w

    krysztale. Wystpuje wtedy, tzw. dopasowanie fazowe, a druga harmoniczna

    zostaje silnie wzmocniona. Najczciej jednak, wraz ze wzrostem przebytej drogi

    w krysztale, pojawia si przesunicie fazowe fali polaryzacji biegncej z inn

    prdkoci ni wspomniana druga harmoniczna.

    Analizujc te zagadnienie od strony drgajcego elektronu, przyjmuje si,

  • 30

    e elektron pozostajcy w studni potencjau jdra atomowego, pod wpywem

    sabego pola elektrycznego wykonuje oscylacje harmoniczne. Gdy jednak

    natenie tego pola znacznie wzronie, pojawiaj si dodatkowe efekty z

    nieharmonicznoci potencjau i oscylacje elektronu staj si anharmoniczne.

    Wtedy wanie, pojawiaj si wyrazy proporcjonalne do E2 i wyszych potg.

    Przy owietlaniu krysztau nieliniowego dwiema wizkami wiata o

    czstociach koowych i , wystpuj pola i . W wyraeniu

    okrelajcym nieliniow polaryzacj pojawia si wyraz proporcjonalny do .

    Periodycznie zmiany polaryzacji orodka, oznaczaj zmiany makroskopowego

    momentu dipolowego, a co za tym idzie emisj promieniowania

    elektromagnetycznego. W wyniku tego, przy zapewnieniu dopasowania

    fazowego, powstaj nowe czstoci:

    (2.4.2)

    Oznacza to, e nowa czsto jest sum (SFG Sum Frequency Generation) lub

    rnic (DFG Difference Frequency Generation) czstoci fal, ktre j

    wytworzyy.

    Innym sposobem na powstawanie nowych czstoci jest prostowanie

    optyczne (OR Opticial Rectification). Jest to proces, w ktrym pole

    elektryczne padajcej fali zmienia si periodycznie z czstoci (co opisuje

    funkcja ), to periodycznie zmienia si rwnie skadowa polaryzacji

    nieliniowej, zalena od kwadratu natenia pola elektrycznego padajcej fali.

    Skadow t mona przedstawi jako sum dwch funkcji: staej oraz zalenej

    od czasu :

    (2.4.3)

    Pojawienie si staej polaryzacji nazywane jest optycznym prostowaniem.

    Nieliniowo powoduje zmian wspczynnika zaamania , co jest

    obserwowane w zjawisku Kerra. Jeli przy maym nateniu wiata

  • 31

    wspczynnik zaamania wynosi dla danej dugoci fali to w silnym polu

    zmienia si wg. zalenoci:

    (2.4.3)

    Gdzie: wspczynnik zaamania drugiego rzdu.

    W wyniku silnej zalenoci od E2 wspczynnika zaamania zachodzi

    m.in. zjawisko samoogniskowania. Najwiksze natenie promieniowania

    wystpuje w rodku wizki, tam te pojawia si znaczy wspczynnik zaamania.

    Zatem do rodka bd si zaginay promienie z obrzey wizki. W wyniku tego,

    dochodzi do autokolimacji wizki. Innym zjawiskiem, zwizanym z

    nieliniowoci jest zagadnienie przepuszczalnoci wiat, w ktrym, w

    zalenoci od natenia wizki zmienia si przepuszczalno wiata.

    Materia aby charakteryzowa si nieliniowoci wszystkich rzdw musi

    spenia warunek braku rodka symetrii.

    Dodatkowo, z przyczyn czysto technicznych, dobrze jest gdy krysztay s

    jednorodne optycznie, odpowiednio due, atwe do wycinania i polerowania oraz

    powinny cechowa si wytrzymaoci na due natenia wiata.

    Przykadami materiaw nieliniowych s krysztay pprzewodnikw takich jak

    CdTe, ZnS, GaAs, GaP oraz stosowany najczciej w telekomunikacji

    nieorganiczny zwizek LiNbO3.

  • 32

    3. Metody generacji promieniowania terahercowego

    [1-2,11-12]

    Generowanie promieniowania elektromagnetycznego jest procesem, w

    ktrym jeden rodzaj energii (np. mechanicznej, elektrycznej) zamieniona jest na

    zaburzenie pola elektromagnetycznego, a co za tym idzie jego propagacj w

    postaci fali. Mimo, e pasmo terahercowe ley pomidzy promieniowaniem

    podczerwonym, a mikrofalami to uycie rde z tych zakresw czstoci jest

    bardzo trudne, lub w ogle niemoliwe w zastosowaniach dla technologii

    terahercowych. Postp technologiczny w elektronice i fotonice, doprowadzi do

    powstania wielu rnych rde promieniowania terahercowego. Ze wzgldu na

    rodzaj wytworzonego promieniowania, mona wyrni dwa podstawowe typy:

    emiterw fal cigych (CW - Continuous Wave) produkujcych promieniowanie

    o staym nateniu oraz emitery fal impulsowych, w ktrych fale

    elektromagnetyczne s produkowane w pojedynczych pakietach, powtarzanych

    w okrelonych odcinkach czasu. Charakterystycznym parametrem urzdze

    wytwarzajcych promieniowanie, jest moc wyjciowa. Na rysunku 3.1

    przedstawiono moc konwencjonalnych generatorw promieniowania w zakresie

    terahercowym. Mona zauway, e zbliajc si do rodka zakresu

    terahercowego, czyli czstotliwoci 1 THz wydajno wikszoci urzdze

    spada.

    Generatory promieniowania terahercowego mona podzieli na dwie

    grupy - elektroniczne, czyli urzdzenia generujce fale od strony mikrofalowej,

    oraz od strony podczerwieni, czyli z emitery fotoniczne. Fundamentaln rnic

    midzy tymi grupami jest fakt, e w przyrzdach elektronicznych nonikiem

    informacji jest elektron, a w urzdzeniach fotonicznych - foton. Poniewa

    elektron jest czstk obdarzon mas i adunkiem elektrycznym, z kolei foton

    jest paczk energii elektromagnetycznej to procesy opisujce wytwarzanie fal

    rzdz si odmiennymi prawami. Z tego powodu nie mona bezporednio

  • 33

    porwnywa urzdze z obu grup pod wzgldem wydajnoci i mocy.

    Rys. 3.1 Porwnanie mocy generatorw promieniowania terahercowego. [11]

    Wyrnia si dwa gwne sposoby wytarzania promieniowania

    terahercowego. Pierwszy polega na wykorzystaniu nieliniowego orodka (np.

    krysztaw) do zamiany czstotliwoci promieniowania wpadajcego do orodka.

    Metody wykorzystania nieliniowego orodka do wytwarzania promieniowania

    przedstawione s na rysunku 3.2. Czstotliwo promieniowania od strony

    podczerwonej jest zmniejszana (konwersja dolna), a od stron mikrofalowych

    czstotliwo fali jest zwikszana (konwersja grna). S to techniki zwizane z

    oddziaywaniem promieniowania z orodkiem, co skutkuje generowaniem

    promieniowania terahercowego. Dwa procesy konwersji dolnej - prostowanie

    optyczne (OR - Optical Rectification) oraz generacja czstotliwoci rnicowej

    (DFG - Difference Frequency Generation) powoduj powstanie fotonu o

    czstoci terahercowej T w wyniku interakcji dwch innych fotonw o

    czstociach 1 i 2 z orodkiem nieliniowym. Impulsy femtosekundowe o

    terahercowej szerokoci pasma, w wyniku prostowania optycznego, wytwarzaj

    pojedyncze fale terahercowe, ktrych ksztat jest zbliony do obwiedni fali

  • 34

    wejciowej. Wykorzystanie mikrofal w konwersji grnej, polega na zamianie fali

    wchodzcej z wykorzystaniem diod z bardzo nieliniow charakterystyk

    prdowo-napiciow.

    Rys. 3.2. Generowanie fal terahercowych w orodkach nieliniowych [1]

    Drugim sposobem wytwarzania fal terahercowych jest uzyskiwanie ich

    poprzez akceleracje elektronw. Na rysunku 3.3 przedstawiono metody w

    ktrych wykorzystuje si zmian przyspieszenia elektronw do generacji

    promieniowania. W tej technice wykorzystuje si zjawiska powodujce

    wytwarzanie promieniowania elektromagnetycznego zwizane ze zmian

    przyspieszenia adunkw elektrycznych (take prdw zmiennych w czasie) w

    pprzewodniku lub w prni. Urzdzeniem bazujcym na wytwarzaniu

    promieniowania w pprzewodniku, jest emiter fotoprzewodzcy (PCE).

    Laserowy impuls docierajcy do pprzewodnika generuje adunki elektryczne,

    ktre znajdujc si w polu elektrycznym zostaj przyspieszane. Powstay w ten

    sposb prd zmienia si w czasie proporcjonalnie do intensywnoci wizki

    laserowej, co generuje fale elektromagnetyczn. Podobna sytuacja jest w

    przypadku, gdy zostaj naoone na siebie dwie, o rnych czstotliwociach

    wizki laserowe. Powstae w ten sposb dudnienia generuj fal cig w sposb

    analogiczny jak w przypadku pojedynczego impulsu. Technika polegajca na

    nakadaniu si wizek laserowych, w efekcie czego otrzymuje si dudnienia

  • 35

    optyczne, nazywa si fotomiksingiem (photomixing).

    Przyspieszanie elektronw w prni, jak to ma miejsce w akceleratorach

    produkuje bardzo intensywne promieniowanie terahercowe. Do generacji uywa

    si cigej wizki lub pojedynczych pczkw elektronw. Pczki te powstaj w

    wyniku wyzwolenia przez impuls femtosekundowy. Nastpnie przyspieszana

    wizka lub pczek, do prdkoci relatywistycznych, s gwatownie

    wyhamowywane lub poruszaj si wymuszonym ruchem po okrgu. W obu

    przypadkach otrzymywane jest promieniowanie hamowania.

    Rys. 3.3. Generowanie fal terahercowych poprzez akceleracje elektronw. [1]

    3.1 Oscylator fali wstecznej (BWO - Backward Wave

    Oscillator) [2]

    Oscylator fali wstecznej (Backward Wave Oscillator, BWO, karcinotron)

    jest to lampa mikrofalowa, pracujca w zakresie wysokich czstotliwoci. W

    lampie tej zachodzi wzajemne oddziaywanie midzy wizk elektronow, a fal

    elektromagnetyczn rozchodzc si wzdu prowadnicy falowej - falowodu. Z

  • 36

    tego powodu okrela si takie urzdzenie jako lampa o fali biecej. Rozrnia

    si dwa rodzaje lamp o fali biecej: lamp o fali postpujcej, w ktrej fala

    elektromagnetyczna porusza si w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wizki

    elektronowej oraz lamp o fali wstecznej, w ktrej fala porusza si w kierunku

    przeciwnym do ruchu wizki. Oscylator fali wstecznej, jak sama nazwa

    wskazuje, jest zatem lamp mikrofalow o fali biecej wstecznej. Wyrnia si

    dwa rodzaje BWO: z polem magnetycznym poprzecznym wzgldem osi lampy

    (typ M), oraz z polem magnetycznym skierowanym rwnolegle do osi lampy

    (typ O). Zasada dziaania BWO polega na oddziaywaniu wizki elektronowej z

    przemieszczajc si fal elektromagnetyczn. Elektrony s spowalniane przez

    metalow kratownic (nazywana grzebieniem), przez co wytracana energia

    kinetyczna elektronw przenoszona jest do fali elektromagnetycznej.

    Na rysunku 3.1.1. przedstawiony jest schemat budowy BWO. Elektrony w

    wyniku termoemisji emitowane s przez arzon katod. Nastpnie zostaj

    przyspieszane w polu elektrycznym wywoanym przyoonym staym napiciem

    midzy katod a anod. Zewntrzne pole magnetyczne peni funkcj kolimatora

    dla wizki elektronw. Regularna struktura grzebienia (powtarzajca si co

    okrelon dugo L), indukuje przestrzennie modulowane podune pole

    elektryczne, co powoduje zmian energii wizki elektronw. Wystpujce z

    okrelon czstoci nieregularnoci w grzebieniu powoduj formowanie si

    paczek elektronowych. Rozchodzca si paczka elektronw wzbudza fale

    powierzchniow na okresowej strukturze grzebienia. Jeeli prdko elektronw

    odpowiada prdkoci fazowej fali powierzchniowej to energia kinetyczna

    elektronw jest przenoszona koherentnie do fali elektromagnetycznej. Oznacza

    to, e czsto fali jest zalena od prdkoci elektronw. Zmieniajc zatem

    napicie midzy katod, a anod wpywamy na prdko elektronw, co

    umoliwia zmian czstotliwoci generowanej fali elektromagnetycznej.

    Powstae promieniowanie odprowadzane jest falowodami na zewntrz.

  • 37

    Rys. 3.1.1. Schemat budowy oscylatora fali wstecznej. [2]

    3.2 Gyrotron [13]

    Gyrotron, nazywany take gyromonotronem lub maserem elektronowego

    rezonansu cyklotronowego (ECRM - Electron Cyclotron Resonance Maser) jest

    to urzdzenie do wytwarzania spjnych fal elektromagnetycznych, o dugociach

    milimetrowych lub submilimetrowych. Schemat gyrotronu przedstawiony jest na

    rysunku 3.2.1. Generacja promieniowania zachodzi w tubie, gdzie formowane w

    wizk elektrony zakrzywiane s przez silne pole magnetyczne. W tubie tej

    wytworzona jest wysokiej jakoci prnia. Wizka elektronw pochodzi z dziaa

    elektronowego (electron gun), gdzie arzona katoda emituje w wyniku

    termoemisji elektrony, ktre s nastpnie formowane w spjn wizk przez

    cewk (gun coil). Nastpnie, w obszarze silnego pola magnetycznego w cewkach

    gwnych (main magnetic field coils) tor elektronw zostaje zakrzywiany. Ruch

    naadowanych czsteczek w polu magnetycznym charakteryzuje si tym, e jest

  • 38

    ruchem jednostajnym w kierunku rwnolegym do kierunku wektora indukcji

    magnetycznej B, a take w paszczynie prostopadej do kierunku tego pola jest

    ruchem jednostajnym po okrgu. W zwizku z tym wizka elektronw porusza

    si wewntrz tuby ruchem wirowym, o czstotliwoci cyklotronej c. Warto t,

    mona obliczy na podstawie wzoru:

    (3.2.1)

    gdzie: ,

    q - adunek czstki naadowanej,

    m - masa czstki.

    W przypadku elektronu stosunek q/m wynosi 1,75882015 1011 C/kg.

    Poniewa ruch po okrgu jest ruchem przyspieszonym, generowane s fale

    elektromagnetyczne. Powstae w ten sposb promieniowanie, jest odpowiednio

    odbijane przez zestaw luster (mirror luncher), a by w kocu wydosta si przez

    diamentowe okno (diamond window) jako wizka promieniowania

    submilimetrowego.

    Rys. 3.2.1. Schemat budowy gyrotronu.[14]

    W zalenoci od potrzeb, urzdzenie moe pracowa w trybie

    impulsowym lub cigym. Uzyskiwane czstotliwoci na wyjciu gyrotronu

  • 39

    mieszcz si w zakresie od okoo 20 do 300 GHz, moc wyjciowa mieci si w

    zakresie od kilkudziesiciu kilowatw, do kilku megawatw w reimie pracy

    impulsowej. Jak wida, tylko cz tego zakresu czstotliwoci (100-300 GHz)

    generowanych prze gyrotron, przypada na promieniowanie terahercowe.

    Zastosowanie generatora promieniowania o duej mocy, jakim jest gyrotron

    jest obecnie wykorzystywane midzy innymi do:

    Bada nad fuzj, gdzie potrzebne jest promieniowanie milimetrowe do

    podgrzewania plazmy.

    W przemyle gyrotrony s wykorzystywane do szybkiego nagrzewania

    rnych substancji (np. podczas formowania szka, spiekania ceramiki)

    lub ich wyarzania.

    Wykorzystanie militarne w radarach.

    3.3 Lasery [2, 15]

    Do generowania promieniowania terahercowego istnieje kilka urzdze,

    ktre mona zaliczy do wsplnej grupy laserw. Wszystkie te urzdzenia

    laserowe maj bardzo wan cech wspln - emituj wizk promieniowania

    spjn i monochromatyczn. Dodatkowo wszystkie bazuj na zjawisku

    nazywanym emisj wymuszon, chocia procesy ktre powoduj t emisj nie

    zawsze s takie same. Jednak, wszystkie te urzdzenia zaliczane s generalnie do

    grupy laserw dalekiej podczerwieni (FIR Laser - Far Infrared Laser), poniewa

    s w stanie generowa promieniowanie w zakresie conajmniej od 300 GHz do

    10 THz. Wyjtkiem jest laser na swobodnych elektronach (FEL), ktry moe

    produkowa promieniowanie z zakresu od rentgenowskiego do mikrofalowego.

    Daje to niemal uniwersalne zastosowanie w technologiach terahercowych. Z tego

    powodu w literaturze mona te spotka si z nazw lasera terahercowego

  • 40

    (TL - Terahertz Laser) oznaczajcego urzdzenie produkujce promieniowanie o

    konkretnej czstotliwoci.

    3.3.1 Lasery czsteczkowe

    Lasery czsteczkowe (nazywane take molekularnymi), nale do grupy

    laserw gazowych. Zakres spektralny promieniowania jaki generowany jest w

    laserach gazowych mieci si pomidzy ultrafioletem, a mikrofalami. Jednak do

    generacji promieniowania terahercowego, najczciej uywa si laserw

    czsteczkowych. Jak sama nazwa wskazuje orodkiem czynnym w tego typu

    urzdzeniu, jest gaz czsteczek. Powoduje to, e oprcz poziomw

    energetycznych w atomach, istniej dodatkowo przejcia rotacyjno-oscylacyjne.

    Na rysunku 3.3.1.1 przedstawione s popularne stosowane lasery czsteczkowe

    pracujce w zakresie redniej i dalekiej podczerwieni.

    Rys. 3.3.1.1. Lasery produkujce promieniowanie w zakresach redniej oraz

    dalekiej podczerwieni. [4]

  • 41

    Zasada dziaania laserw gazowych (w tym i czsteczkowych) opiera si

    na dwch zjawiskach fizycznych: inwersji obsadzeni, oraz emisji wymuszonej.

    Schematyczny przebieg zmiany obsadze poziomw energetycznych

    przedstawiony jest na rysunku 3.3.1.2. Inwersj obsadze nazywa si stan, gdy

    wikszo elektronw jest w stanie wzbudzonym, a nie w stanie podstawowym.

    Inwersj obsadze w laserach gazowych, uzyskuje si niemal wycznie dziki

    zderzeniom atomw z elektronami wyadowania elektrycznego. W tym procesie,

    elektrony wyadowania, zderzajc si z atomami gazu roboczego, przenosz je

    do stanw wzbudzonych. Stany te, ktre wykorzystywane s do produkcji

    promieniowania, nazywane s stanami laserowymi. Na pocztku atomy

    przechodz do stanu wzbudzonego, ktrego czasu ycia jest bardzo krtki,

    nastpnie, zachodzi bezpromieniste przejcie do stanu metastabilnego. Stan ten

    charakteryzuje si relatywnie dugim czasem ycia, dziki czemu jest moliwe

    zebranie wikszej liczby atomw w stanie wzbudzonym. Przejcia z tego stanu

    do stanw niszych wykorzystywane s w akcji laserowej. Poniewa elektrony

    maj energi z duego zakresu, skutkuje to powstawaniem wielu stanw

    wzbudzonych atomw. W celu uzyskania jak najwikszej liczby atomw o tym

    samym stanie laserowym, korzysta si z gazw pomocniczych. Peni one

    funkcj magazynu energii przekazywanej atomom w procesie zderze

    elastycznych. Wyadowania elektryczne w rurze laserowej, moe by impulsowe

    lub cige, wzbudzane polem o czstoci radiowej. Nieelastyczne zderzenia gazu

    z elektronami, poza wzbudzeniem atomw, mog rwnie wywoa jonizacj

    oraz dysocjacje czsteczek. Procesy te ostatecznie mog wzbudzi atomy

    orodka do stanu laserowego. Proces uzyskiwania inwersji obsadze nazywany

    jest pompowaniem.

    Emisja wymuszona natomiast zachodzi, gdy atom bdcy ju w stanie

    wzbudzonym zderza si z fotonem , ktrego energia jest rwna rnicy energii

    pomidzy stanem wzbudzonym, a stanem podstawowym. W procesie tym foton

    nie ulega absorpcji, lecz przyspiesza przejcie wzbudzonego atomu do stanu

    podstawowego. W efekcie otrzymuje si drugi foton o tej samej energii, zgodny

    w fazie, ktry porusza si w tym samym kierunku co foton wymuszajcy emisj

  • 42

    (w przeciwiestwie do naturalnie zachodzcej emisji spontanicznej, gdzie

    kierunek promieniowania jest dowolny).

    Rys. 3.3.1.2 Zmiana obsadzenia poziomw energetycznych przy pompowaniu,

    przejciach bezpromienistych i emisji wymuszonej.

    3.3.1.1 Laser pracujcy w dalekiej podczerwieni - CO2

    W laserze CO2 orodkiem czynnym jest, jak sama nazwa wskazuje,

    dwutlenek wgla. Dodatkowo w celu zwikszenia efektywnoci dodaje si azot,

    a take jako gazy pomocnicze ksenon i hel speniajce rol katalizatora. Moc

    lasera dochodzi do 100 kW przy pracy cigej oraz 1010 kW przy pracy

    impulsowej. Przy tak duych mocach, ukad laserowy (optyka, rura laserowa,

    zwierciada), musz by chodzone wod. Dugoci fali jakie mona otrzyma

    dziki temu laserowi wynosz 9,4 m i 10,4 m.

    Czsteczka dwutlenku wgla jest liniowa i nie posiada momentu

    dipolowego. Wyrnia si cztery drgania normalne molekuy CO2: symetryczne

    walencyjne, niesymetryczne walencyjne oraz podwjnie zdegenerowane drgania

    deformacyjne. Co mona zapisa w notacji Herzberga, przez trzy liczby

  • 43

    cakowite (v1, v2 ,vl3). Liczba l wskazuje na degeneracje poziomu zwizanego z

    drganiem deformacyjnym atomw w paszczynie prostopadej do wizania.

    Rys. 3.3.1.1.1. Rodzaje drga normalnych czsteczki dwutlenku wgla.[15]

    Zakadajc w przyblieniu, e wszystkie drgania s niezalene od siebie,

    cakowit energi oscylacyjn mona zapisa wzorem:

    ( ) (

    ) (

    ) (

    ) (3.3.1.1)

    Wyadowanie elektryczne w mieszaninie CO2 - N2 powoduj bardzo efektywne

    wzbudzenie (od 10% do 30%) czsteczek azotu. W zderzeniach nieelastycznych

    przekazuj one energi wzbudzenia czsteczkom CO2. Oprcz drga

    oscylacyjnych czsteczka dwutlenku wgla jednoczenie moe obraca si wok

    wasnej osi, tj. wykonywa ruchy rotacyjne. Tak wic rotacja czsteczki

    prowadzi do rozszczepienia poziomw oscylacyjnych, na podpoziomy rotacyjne

    opisane przez liczb kwantow J. Dla przej dipolowych speniona jest regua

    wyboru, ktra dopuszcza tylko te przejcia, dla ktrych rotacyjna liczba

    kwantowa J zmienia si o warto 1 . Przejcia gdzie J = +1, tworz ga

    typu R przej, natomiast przejcia dla ktrych J = -1 s nazywane przejciami

    gazi typu P.

    Mimo, e dugo fali jak produkuje laser CO2 nie mieci si w zakresie

    terahercowym, laser ten jest czsto wykorzystywany do pompowania innych

  • 44

    laserw czsteczkowych, ktre produkuj ju promieniowanie terahercowe.

    Dlatego jest wanym elementem laserw terahercowych.

    Rys. 3.3.1.1.2. Schemat energetyczny czsteczki CO2 z zaznaczonymi przejciami

    laserowymi i bezpromienistymi. [15]

    3.3.1.2 Lasery terahercowe

    Lasery pracujce w zakresie terahercowym to w zasadzie zbir laserw

    dalekiej podczerwieni (FIR - Far Infrared Lasers). Zasada dziaania jest taka

    sama jak zwykych laserw gazowych. Dodatkowym elementem, ktry ma

    znaczenie jest wewntrzny falowd stosowany w celu ograniczenia modw

    lasera w kierunku poprzecznym. W przypadku laserw terahercowych gazem

    roboczym, nie s pojedyncze atomy ani proste czsteczki, ale bardziej zoone

    molekuy. Promieniowanie pochodzi z przej rotacyjnych czsteczek. Poniewa

    molekuy posiadaj stay moment dipolowy, std przejcia rotacyjne zwizane s

    z promieniowaniem elektromagnetycznym przez oddziaywanie dipolowe. W

  • 45

    celu przeniesienia czsteczek do wzbudzonych stanw wibracyjnych, uywa si

    pompowania optycznego, gdzie wykorzystywane jest promieniowanie z lasera

    CO2. Dla moleku symetrycznych przejcia wibracyjno-rotacyjne zgodnie z

    reguami wyboru v = 1, J = (-1,0,+1) oraz K = 0, co jest przedstawione na

    rysunku 3.3.1.2.1.

    Rys. 3.3.1.2.1. Schemat poziomw energetycznych wzbudzenia optycznego oraz

    proces powstawania promieniowania terahercowego przy zmianach liczby

    kwantowej J.[2]

    Wiele zwizkw chemicznych byo badanych pod ktem moliwoci

    emisji laserowego promieniowania terahercowego. Do najbardziej intensywnych

    rde, a zarazem najczciej stosowanych zalicza si substancje zestawione w

    tabeli 3.3.1.1.

    Tabela 3.3.1.1. Zestawienie laserw terahercowych. [2]

    Czstotliwo [THz] Czsteczka Moc wyjciowa [mW]

    8,0 CH3OH ok. 10

    7,1 CH3OH ok. 10

    4,68 CH3OH > 20

    4,25 CH3OH ok. 100

  • 46

    3,68 NH3 ok. 100

    2,52 CH3OH > 100

    2,46 CH2F2 ok. 10

    1,96 15

    NH3 ok. 200

    1,81 CH2F2 < 100

    1,27 CH2F2 ok. 10

    0,86 CH3Cl ok. 10

    0,59 CH3I ok. 10

    0,525 CH3OH ok. 40

    0,245 CH3OH ok. 10

    3.3.2 Laser na swobodnych elektronach (FEL - Free Electron Laser)

    [15]

    Nieco odmienn koncepcj laserw, ktra korzysta z emisji wymuszonej,

    ale nie takiej jak w klasycznych laserach, jest laser na swobodnych elektronach.

    Rnica polega na tym, e rdem promieniowania s niezwizane z atomami,

    swobodne elektrony oscylujce w polu magnetycznym. Energia kinetyczna tych

    czstek, jest zamieniana na energi promieniowania. Schemat lasera na

    swobodnych elektronach przedstawiony jest na rysunku 3.3.2.1. W tym

    urzdzeniu, wizka elektronw (electron bunch) przyspieszana jest do prdkoci

    bliskich prdkoci wiata. Przyspieszone w akceleratorze elektrony

    przekazywane s do specjalnego magnesu (bending magnet), gdzie s zaginane i

    wpuszczane do undulatora. Undulator, jest to element sucy do zmiany

    energii wizek wysokoenergetycznych, na energi promieniowania

    elektromagnetycznego. Zbudowany jest z dwch rwnolegych do siebie pyt,

    ktre to s naprzemiennie zabudowane magnesami trwaymi (permanent magnet)

    o przeciwnej biegunowoci. Schemat budowy undulatora jest przedstawiony na

  • 47

    rysunku 3.3.2.2. Domeny w magnesach naprzeciwlegych ukadaj si w tym

    samym kierunku. Pomidzy pyty undulatora wstrzykiwana jest wizka

    elektronw, ktra na skutek dziaania przeciwnych pl magnetycznych zaczyna

    by zakrzywiana w kierunku prostopadym do kierunku ruchu wizki. Regularne

    zmiany ruchu w przeciwne strony powoduje, e tor elektronw robi si

    sinusoidalny.

    Rys. 3.3.2.1. Schemat budowy lasera na wolnych elektronach.[16]

    Uoenie na przemienne magnesw powoduje cige oddziaywanie pola

    magnetycznego o tym samym kierunku, lecz o przeciwnych zwrotach co

    skutkuje tym, e naadowana czstka jest nieustannie hamowana i przyspieszana.

    Jak wiadomo, zmiana przyspieszenia adunku elektrycznego, powoduje

    powstawanie promieniowania hamowania , ktre emitowane jest w postaci

    stoka w kierunku ruchu elektronw. Powstae promieniowanie

    elektromagnetyczne, porusza si z prdkoci wiata, wic wyprzedza elektrony.

    W procesie tym fala elektromagnetyczna zaczyna oddziaywa z innymi

    elektronami w wizce. Poniewa elektrony w undulatorze, pod wpywem

    zmieniajcego si pola magnetycznego nie poruszaj si po linii prostej, lecz s

    w cigym ruchu wirowym, to promieniowanie na nie padajce moe znajdowa

  • 48

    si w fazie lub przeciw fazie. Powoduje to, e w wyniku tego oddziaywania

    naadowane czstki s dodatkowo przyspieszane lub hamowane w kierunku

    prostopadym do pierwotnego kierunku poruszajcej si wizki. Z tego powodu,

    elektrony poruszajce si w undulatorze zagszczaj si w punktach odlegych

    od siebie o jedn dugo fali (poniewa ich faza rni si o 2). Im duszy jest

    undulator, tym bardziej widoczne jest zjawisko porcjowania wizki (bunching).

    Otrzymane w ten sposb paczki elektronw, s nadal przyspieszane w polach

    magnetycznych undulatora, powodujc nieustanne przyspieszanie i hamowanie.

    Skutkiem tego, emitowane jest ponownie promieniowanie hamowania. Jeli

    elektron, ktry je emituje drga w fazie z fal padajc to promieniowanie

    emitowane, bdzie w takiej samej fazie jak od elektronw pochodzcych z

    wczeniejszej paczki. Efektem tego, bdzie wzmocnienie fali

    elektromagnetycznej. Z kolei elektrony, ktre nie s w fazie z ssiadami, zostan

    do tego "zmuszone" przez obecne promieniowanie, ktre odpowiednio

    przyspieszy lub zwolni elektrony. Zjawisko to nosi nazw samo

    wzmacniajcej si emisji spontanicznej (SASE - Self-Amplified Spontaneous

    Emission). Dziki temu, na wyjciu otrzymuje si wizk bardzo intensywn.

    Dodatkowo, zmieniajc parametry wizki elektronw mona otrzyma

    promieniowanie z zakresu od mikrofal po promieniowanie rentgenowskie.

    Rys. 3.3.2.2. Budowa undulatora i parametry okrelajce dugoci fali. [17]

  • 49

    Zaleno midzy odlegoci midzy porcjami elektronw o tej samej fazie

    (dugo fali ), a dugoci fali uzyskanej na wyjciu dana jest rwnaniem:

    ( )

    (3.3.2.1)

    gdzie: = ,

    = v/c,

    v - prdko paczki elektronw, c prdko wiata w prni.

    Laser na swobodnych elektronach ze wzgldu na ogromn moliwo

    przestrajania, wykorzystywany jest jako praktycznie uniwersalne rdo fal

    elektromagnetycznych o rnych czstotliwociach, rwnie dla zakresu

    terahercowego. Ze wzgldw jednak na due rozmiary i dodatkowy sprzt

    (akcelerator), jest do drogi w budowie i eksploatacji.

    3.3.3 Kwantowy laser kaskadowy (QCL - Quantum Cascade Laser) [18-

    19]

    Kwantowy laser kaskadowy jest to laser, w ktrym emisja fali wietlnej

    nastpuje pomidzy poziomami energetycznymi elektronw, wystpujcymi w

    pamie przewodnictwa pprzewodnikowej heterostruktury. Adekwatnie

    modyfikujc grubo studni kwantowych i barier w heterostrukturze, mona

    uzyska rozkad poziomw umoliwiajcy wystpowanie przej laserowych, o

    oczekiwanej dugoci fali. Odpowiednia struktura energetyczna uzyskana jest

    poprzez wzrost epitaksjalny zaprojektowanych struktur kwantowych.

    Wytworzonym w ten sposb cienkim warstwom materiaw, o rnych

    przerwach energetycznych odpowiada szereg studni kwantowych. Kwantowy

    laser kaskadowy skada si z serii cienkich warstw pprzewodnikw. Grubo

    pojedynczej warstwy jest tak maa, e okrelana jako jednowymiarowa studnia

    kwantowa. Gdy elektron przechodzi z konkretnej warstwy, emituje foton (o

  • 50

    dugoci fali okrelonej przez poziomy energetyczne) oraz od razu wchodzi do

    drugiej studni kwantowej. Przewanie jest uoonych od 25 do 75 aktywnych

    studni, kada na nieco niszym poziomie energetycznym ni poprzednia. Ilo

    wyemitowanych fotonw w procesie przechodzenia elektronu, jest rwna iloci

    studni wytworzonych w materiale. Lasery kaskadowe obecnie generuj w trybie

    jednomodowym promieniowania pomidzy 1,9 i 4,8 THz z moc wyjciow

    90 mW. Emisja promieniowania bazuje wanie na przejciach

    midzypasmowych elektronw w pamie przewodnictwa, oraz tunelowaniu

    elektronu pomidzy kaskad studni kwantowych, co zostao schematycznie

    przedstawione na rysunku 3.3.3.1.

    Rys. 3.3.3.1. Proces emisji fotonw w wyniku przechodzenia elektronw midzy

    podpasmami w studniach kwantowych. [19]

    Do otrzymanej struktury przykadane jest napicie elektryczne, tak aby

    poziom podstawowy jednej studni by na tym samym poziomie, co stan

    wzbudzony drugiej studni. Wzbudzone elektrony przechodzc do stanu

    podstawowego emituj foton, a nastpnie tuneluj do kolejnej studni kwantowej.

    Problemem natury fizycznej w laserach kaskadowych jest podtrzymanie emisji.

    Wynika to z faktu, e redni czas potrzebny elektronowi na tunelowanie przez

    barier potencjau, jest duszy od czasu wywoania emisji. Z tego powodu

  • 51

    poziom podstawowy z biegiem czasu, ma coraz wicej elektronw, ktre blokuj

    dalsze przejcia ze stanu wzbudzonego. Rozwizaniem tego problemu jest

    dodanie dodatkowego poziomu energetycznego, ktry bdzie oddalony od

    poziomu podstawowego o warto rezonansow fononu optycznego, tak aby

    przejcia z tego stanu na poziom podstawowy nastpoway praktycznie bez

    opnie. Dziki temu poziom ten pozostaje bez elektronw, umoliwiajc

    kolejne akty emisji promieniowania.

    Lasery kaskadowe s kompaktowymi urzdzeniami, o dugoci nie

    wikszej ni kilka milimetrw i kilkadziesit mikrometrw szerokoci.

    3.4 Dioda Gunna [20]

    Diod Gunna (inaczej take TEO - Transferred Electron Oscillator,

    generator Gunna), nazywa si przyrzd pprzewodnikowy uywany gwnie w

    generatorach mikrofalowych. Jest to specjalna forma diody, ktra skada si

    tylko z pprzewodnikw typu n. Wyrnia si trzy warstwy - dwie zewntrzne,

    ktre s bardziej domieszkowane (n+) od trzeciej, rodkowej warstwy ktra jest

    mniej domieszkowana (n-). Po przyoeniu zewntrznego napicia do diody,

    gradient pola elektrycznego bdzie najwikszy w warstwie rodkowej. Dla

    sabych pl, warstwa rodkowa bdzie przewodzia prd proporcjonalnie do

    przyoonego napicia. Jednak powyej pewnej wartoci napicia natenia pola

    elektrycznego (natenie krytyczne) ruchliwo elektronw zaczyna male.

    Spowodowane jest to zjawiskiem, w ktrym elektrony wraz ze wzrostem

    natenia pola elektrycznego przeskakuj z doliny centralnej do doliny

    satelitarnej. Elektrony w dolinie satelitarnej, maj inn warto wektora falowego

    ni w dolinie centralnej. Inna jest take warto masy efektywnej. Zjawisko to

    zostao odkryte przez J. B. Gunna 1962 roku i zostao nazwane jego nazwiskiem.

    Obszar w ktrym wystpuje te zjawisko nazywa si obszarem o ujemnym oprze

  • 52

    rnicowym (NDR region - Negative Differential Resistance region). Obszar ten

    jest wanie wykorzystywany do generowania fal elektromagnetycznych.

    Wzrost masy efektywnej w dolinie satelitarnej, powoduje spadek ruchliwoci

    elektronw, w efekcie czego, wraz ze wzrostem przyoonego napicia maleje

    pyncy prd. Sytuacja ta prowadzi do tego, e pole elektryczne wewntrz

    krysztau przestaje by jednorodne. Tworz si domeny silnego i sabego pola,

    ostro od siebie odgraniczone. Ich granice przemieszczaj si wzdu diody,

    zgodnie z unoszeniem elektronw przez pole elektryczne. Domeny, docierajc do

    kocw diody wywouj w zewntrznym obwodzie oscylacje prdu, tym

    czstsze im mniejsze s rozmiary diody. Pprzewodnikiem z ktrego wykonuje

    si diody Gunna jest aresenek galu (GaAs). Natenie krytyczne pola

    elektrycznego w tym materiale wynosi 3,2 kV/cm. Czstotliwo moe by w

    pewnym stopniu kontrolowana przez umieszczenie diody Gunna w obwodzie

    rezonansowym. Przy poczeniu diody z rezonatorem, mona uzyska napicie

    sinusoidalne. Jednym z wariantw diod Gunna, s diody wykonane z silnie

    domieszkowanego pprzewodnika. Nazywaj si diodami LSA (Limited Space-

    Charge Accumlation Diode) i mog generowa impulsy mocy o kilku kilowatw.

    Zalet diod Gunna jest generowanie podczas pracy niskiego poziomu szumu.

    Rys. 3.4.1. Dioda Gunna - zaleno przyoonego napicia do przepywajcego

    prdu w zjawisku Gunna (b), schemat obwodu oscylatora (c) [21]

  • 53

    3.5 Dioda IMPATT (Impact Avalanche and Transit-Time

    diode) [22-23]

    Dioda IMPATT jest diod o wysokiej mocy, uywanej (podobnie jak

    dioda Gunna) do generowania fal submilimetrowych. Obecnie poszukuje si

    materiaw o wysokim napiciu przebicia i wyszej cieplnej przewodnoci w

    celu zwikszenia mocy wyjciowej w tego typu generatorach. Szeroka przerwa

    energetyczna w wgliku krzemu (SiC) spenia to kryterium i stanowi aktualnie

    najlepsze rozwizanie, z ktrego obecnie korzysta si w produkcji diod

    IMPATT. Uzyskano dziki temu promieniowanie od czstoci mikrofalowych do

    okoo 0,7 THz. Moc promieniowania dochodzi do wartoci 2,5 1011 Wm-2.

    Budowa diody IMPATT skada si kolejno z obszarw:

    Wysoko domieszkowany n+,

    rednio domieszkowany p-,

    Niedomieszkowany i,

    Silnie domieszkowany p+.

    Schemat budowy diody oraz przebieg napicia i natenia prdu

    przedstawione s na rysunku 3.5.1

    Jeeli swobodne elektrony z wystarczajc energi uderzaj w atomy

    krzemu, mog zerwa wizania kowalencyjne krzemu i uwolni elektrony z tego

    wizania. Wybity w ten sposb elektron, pod wpywem zewntrznego pola

    elektrycznego, uzyska energi wystarczajc do wybicia kolejnego elektronu.

    Proces taki moe si powtarza i w rezultacie otrzymuje si reakcj acuchow

    produkujc wysok liczb wolnych elektronw oraz duy przepyw prdu.

    Zjawisko to nazywa si procesem lawinowym. W wyniku tego, obszar typu N+

    zostaje przebity i tworzy si obszar lawinowy diody. Elektrony wytworzone w

    procesie lawinowym dryfuj przez obszar o wysokim oprze w kierunku anody.

    Dioda IMPATT pracuje w kierunku przeciwnym podczas przebicia. Powstaje

  • 54

    wtedy, podobnie jak w diodzie Gunna, obszar o ujemnym oporze rnicowym

    (NDR). Wystpowanie tego obszaru jest spowodowane przez dwa procesy:

    Pierwszy proces, lawinowy, prowadzi do zwikszenia liczby par elektron-dziura.

    Drugi procesem jest dryft elektronw w kierunku obszaru N+. Wytworzone

    elektrony przemieszczaj si z okrelon prdkoci nasycenia vs. Proces

    lawinowy powoduje przesunicie fazy o 90. Z kolei proces dryfu moe wnie

    dodatkowy wkad w przesunicie. Wielko tego przesunicia jest uzaleniona

    od dugoci obszaru dryfu. Dziki temu, mona uzyska przesunicie fazowe o

    wartoci 180 midzy zmiennymi sygnaami prdu i napicia spowodowanego

    skoczonym czasem przelotu nonikw przez warstw adunku przestrzennego.

    W efekcie, prowadzi to do powstania regionu NDR.

    Rys. 3.5.1. Schemat budowy diody IMPATT (a), przebieg napicia i prdu (b),

    po stronie prawej: rozkad natenia pola, Ek oznacza energi krytyczn,

    rozpoczynajc proces lawinowy. [23]

  • 55

    Niewtpliw zalet tego urzdzenia jest zdolno do generowania

    wysokich mocy. Natomiast najwiksz wad jest wysoki poziom szumw jaki

    dioda wytwarza. Wynika to ze statystycznego charakteru procesu lawinowego.

    Dodatkowo, ze wzgldu na to, e dioda IMPATT pracuje podczas przebicia,

    czsto wydzielone ciepo powoduje wzrost temperatury do bliskiej temperaturze

    krytycznej. Problem ten mona zredukowa, zmniejszajc opr urzdzenia.

    3.6 Antena fotoprzewodzca (PCA - Photoconductive antenna)

    [12, 24]

    Antena fotoprzewodzca, nazywana take emiterem jest to urzdzenie

    wykorzystujce wzrost przewodnoci elektrycznej pprzewodnikw i

    izolatorw, co jest wywoane wewntrznym efektem fotoelektrycznym.

    PCA skada jest z wysoko rezystancyjnej cienkiej warstwy do ktrej s

    podczone dwie metaliczne elektrody. Dua oporno tej warstwy powoduje, e

    upyw prdu jest zaniedbywalnie may. Warstwa ta zbudowana jest ze zwizkw

    pprzewodnikowych zoonych III-V. Najczciej stosuje si arsenek galu

    (GaAs), ktry wzrasta epitaksjalnie na podou z p izolacyjnego arsenku galu

    (SI-GaAs). Rnic pomidzy tymi dwiema warstwami, jest redni czas ycia

    wzbudzonych nonikw. W cienkiej warstwie GaAs czas ten krtszy ni 1 ps,

    natomiast w SI-GaAs, czas ycia nonikw wynosi okoo 500 ps.

    Pikosekundowe impulsy promieniowania terahercowego wytwarzane s w

    zasilanym prdem staym zczu anteny, poprzez wzbudzenie jej

    femtosekundowym impulsem laserowym. Wicej informacji na temat lasera

    femtosekundowego zamieszczone jest w Dodatku 3. Schemat budowy PCA jest

    przedstawiony na rysunku 3.6.1.

  • 56

    Rys. 3.6.1. Schemat budowy anteny fotoprzewodzcego przeznaczonej do

    generacji promieniowania terahercowego.[12]

    Na podou z pprzewodnika (Semiconductor substrate), umieszczone s

    dwie metalowe elektrody uoone na ksztat prostej anteny dipolowej

    (PC antenna). Odlego pomidzy nimi nie jest wiksza ni kilka mikrometrw.

    Pomidzy metalowe elektrody, przyoonej jest napicie stae, nie wiksze ni

    40 V. Gdy femtosekundowy impuls o intensywnoci ( ) i energii fotonw

    wyszej ni energia pasma zabronionego, uderza w przerw pomidzy

    elektrodami, czyli w cienk warstw GaAs, generowane s w pasmach

    przewodnictwa i walencyjnych odpowiednio elektron i dziura. Stae napicie

    pomidzy elektrodami nadaje przyspieszenie powstaym wolnym nonikom, na

    skutek dziaania siy kulombowskiej. Jednoczenie zmniejsza si gsto adunku

    gwnie poprzez oddziaywanie z defektami sieci krystalicznej. W wyniku

    przepywu nonikw do odpowiednich elektrod wytwarza si dipolowy rozkad

    adunku, ktry generuje impuls elektryczny. Prd impulsowy powstay w wyniku

    przyspieszania wolnych nonikw jest rdem pikosekundowych impulsw

    promieniowania elektromagnetycznego. Wygenerowana w ten sposb fala

    elektromagnetyczna, przechodzi do psferycznej krzemowej soczewki

    (Si hemishperical lens). Ksztat i wspczynnik zaamania tej soczewki s tak

    dobrane, aby zebra i ukierunkowa powsta fal w taki sposb, eby otrzyma

    uyteczny impuls terahercowy. Z powodu szybkiej rekombinacji nonikw

    (redni czas ycia okoo 1 ps), czas generacji impulsu terahercowego jest

  • 57

    porwnywalny z czasem trwania laserowego impulsu ktry wytworzy te

    noniki.

    Gsto prdu jaka zostaje wytworzona przez impuls laserowy opisuje wzr:

    ( ) ( ) (3.6.1)

    gdzie: - gsto fotononikw,

    - adunek elementarny,

    - ruchliwo nonikw,

    - natenie pola elektrycznego przyoonego midzy elektrodami.

    Antena fotoprzewodzca jest obecnie jednym z najczciej uywanych

    generatorw promieniowania terahercowego. Urzdzenie te, suy take do

    detekcji promieniowania terahercowego, co jest wspomniane w rozdziale na

    temat detekcji. Z tego powodu, e zarwno do generacji jak i do detekcji uywa

    si tego samego urzdzenia, w celu rozrnienia generator promieniowania

    nazywa si emiterem fotoprzewodzcym (PCE Photoconductive Emiter).

  • 58

    4. Metody detekcji promieniowania terahercowego

    [12, 25-26]

    Detekcja sygnau optycznego zaley od charakterystyki szumowej caego

    ukadu detekcyjnego. Parametrem, ktry okrela zaleno sygnau do szumu jest

    SNR (Signal to Noise Ratio). Jest to stosunek mocy elektrycznej wytwarzanej

    przez impuls promieniowania do mocy elektrycznej szumu. Miar czuoci

    detektorw optycznych jest wspczynnik mocy rwnowanej szumom - NEP

    (Noise Equivalent Power). Definiuje si go jako moc sygnau dla ktrego

    SNR = 1. Szum spowodowany wewntrznymi fluktuacjami temperatury

    detektora wyraa grny limit NEP wzorem:

    (4.1)

    gdzie: - staa Boltzmana,

    - temperatura czujnika,

    - przewodno cieplna detektora.

    Dla maego wspczynnika osigalne s niskie wartoci .

    Przykadowo dla temperatury okoo 50 mK oraz wspczynniku o wartoci

    okoo 10 fW/K, przy niskich fluktuacjach ta warto moe by rzdu

    10-20 W/Hz1/2, co osignito ju w niektrych bolometrach.

    Detektory promieniowania elektromagnetycznego mona podzieli na

    dwie grupy - detektorw termicznych oraz detektorw fotonowych. W

    detektorach termicznych padajce promieniowanie w wyniku absorpcji,

    powoduje wzrost temperatury elementu fotoczuego. Powoduje to zmian

    waciwoci materiau z ktrego jest wykonany ten element. Przykadowo

    zmiana temperatury moe zmieni oporno ukadu (bolometry), lub zmieni

    polaryzacj elektryczn (piroelektryki). W oglnoci, efekty termiczne nie zale

    od dugoci fali padajcego promieniowania (pomijajc fale o wysokiej energii,

  • 59

    ktre wpywaj na substancje destruktywnie). Wielko sygnau jest

    proporcjonalna do mocy padajcego promieniowania, ale nie zaley od jego

    widmowego skadu. Detektory fotonowe wykazuj selektywn zaleno

    czuoci od dugoci fali ktra padajcego promieniowania

    elektromagnetycznego. W porwnaniu z detektorami termicznymi, detektory

    fotonowe charakteryzuj si wikszymi szybkociami odpowiedzi oraz wiksz

    czuoci.

    Rys. 4.1. Wykres przedstawiajcy wzgldna czuo widmow detektora

    termicznego i fotonowego. [26]

    4.1 Bolometry [7, 20-21]

    Bolometrem nazywa si urzdzenie z rodzaju detektorw termicznych

    zdolne do odbierania niemale prawie caoci promieniowania padajcego.

    Przekazanie energii promieniowania powoduje zmiana przewodnictwa

    elektrycznego, co daje mierzalny sygna. Z powodu tej unikalnej wasnoci,

    bolometr nadaje si do pomiaru cakowitego strumienia energii fal

    elektromagnetycznych, emitowanych z badanego ciaa dobiegajcych do

    czujnika urzdzenia. Przy znanej odlegoci emitera czna energia pochaniana

    przez bolometr w jednostce czasu umoliwia bezporednie temperatury

    efektywnej ciaa wysyajcego promieniowanie. Pierwszy bolometr zosta

  • 60

    wynaleziony w 1878 roku przez amerykaskiego astronoma Samuela Pierponta

    Langleya, do pomiaru energii promieniowania sonecznego. Pojawienie si

    nowych technik sprawio, e wcigu w lat 1940-2010 czuo bolometrw

    zwikszya si z NEP o wartoci 10-10 do 10-20 W/Hz1/2, co przedstawione jest

    rysunku 4.2.

    Rys. 4.2. Wzrost czuoci na podstawie wspczynnika NEP dla bolometrw w

    latach 1940-2010. [12]

    4.1.1 Bolometr metalowy

    Zasada dziaania bolometrw metalowych, opiera si na zjawisku zmiany

    opornoci elektrycznej czujnika temperaturowego wskutek nagrzewania si go w

    wyniku pochaniania mierzonego promieniowania. Zmian opornoci

    elektrycznej detektora mierzy si przewanie w ukadzie mostkowym. Czujniki

    takie wykonuje si w postaci cienkich warstw rnych metali. Grubo takich

    warstw mieci si w przedziale od 0,110-6 m do 110-6 m. W celu lepszego

    pochaniania padajcego promieniowania, powierzchni detektora pokrywa si

    warstw czerni platynowej, ktra to odznacza si duym wspczynnikiem

  • 61

    pochaniania w szerokim zakresie dugoci fal. Metalami z jakich wykonuje si

    czujniki bolometrw to nikiel, zoto, platyna, antymon lub bizmut. Zdolno

    pomiaru przyrostu temperatury wywoanego promieniowaniem nie przekracza

    10-6

    - 10-7

    K. W najlepszych bolometrach metalowych wspczynnik NEP nie

    jest mniejszy od 610-11 W/Hz1/2. Staa czasowa, ktra okrela czas po ktrego

    upywie ustalaj si warunku cieplne ukadu, wynosi okoo 1 s. Gdy ilo ciepa

    wydzielajcego si w czujniku w wyniku pochaniania promieniowania jest

    rwna iloci ciepa oddawanego przez detektor do otoczenia, mona obliczy

    przyrost temperatury wzorem:

    (4.1.1.1)

    gdzie: - wspczynnik pochaniania,

    - strumie promieniowania padajcy na warstw czujnika,

    - staa chodzenia (RC - Refrigeration Constant).

    Warto natenia prdu pyncego przez miernik wczony w przektn

    mostka, jest proporcjonalna do strumienia energii promieniowania padajcego na

    czujnik bolometru.

    4.1.2 Bolometr nadprzewodnikowy

    Bolometry nadprzewodnikowe maj czujniki w postaci drutu z materiau

    nadprzewodzcego, pozostajcego w temperaturze przejcia w stan

    nadprzewodnictwa. Przez drut ten przepywa pomiarowy prd elektryczny. Pod

    wpywem padajcego na czujnik promieniowania temperatura drutu ronie,

    wskutek czego oporno zostaje czciowo przywrcona. W zwizku z tym

    powiksza si spadek napicia na drucie mierzony za porednictwem ukadu

    potencjometrycznego. Wskutek gwatownego przejcia ze stanu przewodnictwa

    normalnego w stan nadprzewodnictwa, odbywajcego si w przedziale zaledwie

    kilku tysicznych kelwinw, bolometr nadprzewodnikowy odznacza si du

  • 62

    czuoci, Niska temperatura pracy takiego bolometru zapewnia niski poziom

    szumw i ma pojemno ciepln, dziki czemu prg czuoci takich

    bolometrw wynosi od 10-10 do 10-20 W. Prg czuoci bolometru

    nadprzewodnikowego, jest niszy od progw czuoci innych bolometrw.

    Bolometry nadprzewodnikowe znajduj powszechne zastosowane w technice

    jako odbiorniki promieniowania z zakresu podczerwieni i dalekiej podczerwieni

    (do ktrej mona zaliczy promieniowanie terahercowe). Fakt ten

    wykorzystywany jest w spektrometrach do otrzymania widm absorpcyjnych.

    Wykorzystuje si je rwnie do okrelenia na odlego temperatury nagrzanych

    cia.

    Rys. 4.1.2.1. Schemat budowy bolometru nadprzewodnikowego (wg Thomsona i

    Goodmana). [25]

    4.1.3 Bolometr pprzewodnikowy

    W nowoczesnych bolometrach stosuje si obecnie pprzewodniki. Zalet

    tego rozwizania jest fakt, e temperaturowy wspczynnik opornoci (TWR) na

    1K jest wikszy ni w bolometrach innego typu. Zmiana opornoci

    spowodowana ogrzaniem elementu bolometru, jest przetwarzana w napicie

    1 - Cienka folia aluminiowa suca jako odbiornik promieniowania. 2 - Nadprzewodzce doprowadzenia oowiane niewydzielajce ciepa Joule'a. 3 - Osona prniowa 4 - Grzejnik 5 - Elektroniczny termometr 6 - Kpiel helowa 7 - Pomocnicza kpiel helowa 8 - Rurka, przez ktr doprowadza si promieniowanie

  • 63

    poprzez wczenie bolom