Inleiding tot de Terahertz Band

Lees meer over de terahertz-band, zijn eigenschappen en de toepassingen waar hij bruikbaar is.

Als je ooit van de term "THz-gap" hebt gehoord, maar niet wist wat het betekende, dan is dit artikel iets voor jou.

Het Terahertz-spectrum

Terahertz-straling (THz) wordt over het algemeen gedefinieerd als het gebied van het elektromagnetische spectrum in het bereik van 100 GHz (3 mm) tot 10 THz (30 m), dat tussen de millimeter- en infraroodfrequenties ligt. De THz-band heeft verschillende namen gekregen, zoals submillimeter-, ver-infrarood- en bijna-millimetergolven.

Bij 1 THz heeft het uitgestraalde signaal de volgende kenmerken:

• Golflengte: 300 m in vrije ruimte
• Periode: 1 ps,
• Fotonenenergie: 4,14 meV

Bovendien, hf/k_B =48 K temperatuur waarbij h de constante van Planck is (6.62607004 × 10 ^-34 J.s), f is de frequentie, en k_B is de constante van Boltzmann (1.380649×10 ⁻²³ J/K).

De THz-band in het elektromagnetische spectrum wordt getoond in figuur 1.

Figuur 1. Schematisch diagram dat de locatie van de THz-band in het elektromagnetische spectrum toont

Dit deel van het elektromagnetische spectrum is het minst onderzochte gebied in vergelijking met aangrenzende regio's, d.w.z. de microgolf- en optische banden.

Dit is de reden waarom de term "THz-gap" wordt gebruikt om de kinderschoenen van deze band te verklaren in vergelijking met goed ontwikkelde aangrenzende spectrale regio's. Dit heeft ertoe geleid dat onderzoekers van verschillende discipelen (zoals natuurkunde, materiaalwetenschap, elektronica, optica en scheikunde) verschillende onontgonnen of minder verkende aspecten van THz-golven hebben onderzocht.

Eigenschappen van Terahertz-golven

Hoewel de belangstelling voor het THz-gebied teruggaat tot de jaren 1920, zijn er pas in de afgelopen drie decennia uitgebreide studies aan dit gebied gewijd. Een belangrijke motivatie hiervoor zijn de uitzonderlijke golfeigenschappen en de uitgebreide mogelijke toepassingen in het THz-frequentiebereik.

THz-golven hebben middenkenmerken van de twee banden waar ze tussenin zijn ingeklemd.

Deze eigenschappen kunnen als volgt worden samengevat:

1. Penetratie: De golflengte van THz-straling is langer dan de infrarode golflengte; daarom hebben THz-golven minder verstrooiing en betere penetratiediepten (in het bereik van cm) in vergelijking met infraroodgolven (in het bereik van μm). Daarom zijn droge en niet-metalen materialen transparant in dit bereik, maar ondoorzichtig in het zichtbare spectrum.
2. Oplossing: THz-golven hebben kortere golflengten in vergelijking met microgolfgolven; dit geeft een betere ruimtelijke beeldresolutie.
3. Veiligheid: De fotonenergieën in de THz-band zijn veel lager dan die van röntgenstralen. Daarom is THz-straling niet-ioniserend.
4. Spectrale vingerafdruk: Inter- en intra-vibrationele modi van veel moleculen liggen in het THz-bereik.

Uitdagingen bij het ontwikkelen van de THz-band

Hoewel de THz-band verschillende fascinerende kenmerken heeft, zijn er enkele specifieke uitdagingen voor THz-technologieën. De belangrijkste reden dat het THz-veld onderontwikkeld is in vergelijking met de aangrenzende banden, is het gebrek aan efficiënte, coherente en compacte THz-bronnen en -detectoren.

Deze kenmerken voor de bronnen zijn te vinden in de gebruikelijke bronnen met microgolffrequentie, zoals transistors of RF/MW-antennes, en in apparaten die in het zichtbare en infrarode bereik werken, zoals halfgeleiderlaserdiodes. Het is echter niet mogelijk om deze technologieën te gebruiken voor gebruik in het THz-gebied zonder een significante vermindering van vermogen en efficiëntie.

Aan de onderkant van het THz-frequentiebereik worden in het algemeen solid-state elektronische apparaten gebruikt; dergelijke apparaten hebben echter een roll-off van 1/f ² vanwege reactief-resistieve effecten en lange transittijden. Aan de andere kant presteren optische apparaten zoals diodelasers niet goed bij de THz-bereiklimiet vanwege het gebrek aan materialen met voldoende kleine bandgap-energieën.

Een andere uitdaging in de THz-band zijn hoge verliezen. THz-golven hebben een hoge absorptie in de atmosferische situatie en de vochtige omgeving. De atmosferische demping over het elektromagnetische spectrum wordt weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. Demping op zeeniveau voor verschillende atmosferische situaties:Regen =4 mm/h; Mist =100 m zicht; SOA =7,5 g/m ³ waterdamp; 2×SOA =15 g/m ³ waterdamp. Afbeelding van MC Kemp via IEEE Xplore

Het is duidelijk dat signaaldegradatie in het THz-bereik aanzienlijk meer is dan microgolf- en infraroodbanden. Dat komt deels doordat de watermoleculen in dit bereik resoneren.

De nadelige atmosferische eigenschappen van THz-golven maken ze tot een geschikt werkfrequentiegebied voor de volgende twee gevallen:

• Lucht- en ruimtevaart: In de ruimte is de omgeving bijna vacuüm, dus signaalabsorptie en verzwakking door waterdruppels zijn geen problemen. Ook bevindt de spectrale signatuur van interstellair stof zich in het THz-gebied. Daarom is THz-technologie op grote schaal gebruikt in de radioastronomie, zoals de lancering van Herschel Space Observatory door de European Space Agency.
• Korte afstand: Voor toepassingen op korte afstand is de atmosferische demping verwaarloosbaar, vooral de frequenties met een hoge absorptie. Dit maakt het verwijderen/herkennen van het effect van deze smalle lijnen gemakkelijker. Daarom is THz-technologie een zeer vindingrijk hulpmiddel voor fundamenteel onderzoek in verschillende disciplines, zoals natuurkunde en scheikunde. Het is ook een aantrekkelijke optie voor draadloze communicatie over korte afstanden met hoge datasnelheden.

Toepassingen van Terahertz-straling

THz-straling kan in veel mogelijke toepassingen worden gebruikt, waaronder terahertz-beeldvorming, spectroscopie en draadloze communicatie.

Biomedische beeldvorming is een van de subcategorieën van THz-beeldvorming. THz-golven kunnen tot enkele honderden micrometers doordringen in menselijke weefsels; dus THz medische beeldvorming kan worden toegepast voor diagnoses van het lichaamsoppervlak, zoals detectie van huid, mond en borstkanker, en tandheelkundige beeldvorming. THz-systemen hebben ook de potentiële markt voor beveiligingstoepassingen, detectie van vast explosief materiaal en screening van post. Last but not least is THz-beeldvorming een handige methode voor inspecties van halfgeleiderverpakkingen.

THz-spectroscopie is een zeer krachtige techniek om materiaaleigenschappen te karakteriseren en hun signatuur in deze band te begrijpen. THz-spectroscopie heeft het begrip van absorptiekenmerken in veel monokristallijne, microkristallijne en poedermonsters van organische moleculen verbeterd.

Figuur 3 geeft een voorbeeld van meetresultaten aan om de vibratiemodi van maltosemoleculen te identificeren.

Figuur 3. Het gemeten trillingsspectrum van maltose in een THz-tijddomeinspectroscopiesysteem, de bovenste grafiek toont het gemeten THz-signaal zonder een maltosemonster. Pijlen in onderstaande grafiek tonen de trillingsfrequenties van maltosemoleculen. Inzet toont de moleculaire structuur van maltose. Afbeelding van Y.C. Shen et al. via Applied Physics Letters .

THz-spectroscopie heeft toepassingen in de biochemische wetenschap, zoals analyse van DNA-handtekeningen en eiwitstructuren. In-line controle van productieprocessen is een andere mogelijke toepassing van THz-spectroscopie die contactloze en realtime metingen zou kunnen opleveren. THz-spectroscopie kan positief worden gemanipuleerd om de gehydrateerde stoffen van gedroogde stoffen te onderscheiden vanwege de hoge waterabsorptie in THz-frequenties. In de papierindustrie wordt bijvoorbeeld THz-spectroscopie gebruikt voor het bewaken van de dikte en het vochtgehalte van papier door fabrikanten.

In sommige toepassingen, zoals niet-destructieve testen, worden zowel THz-beeldvorming als spectroscopie gebruikt. In een kunsthistorisch onderzoek helpen THz-beeldvorming en -spectroscopie bijvoorbeeld om oudheden in beeld te brengen, de dikte van de verschillende lagen van het kunstwerk te onthullen en materiaalsoorten weer te geven.

Figuur 4 toont een zichtbare foto van de Madonna in Preghiera (links) en THz-afbeelding van het schilderij op basis van het geïntegreerde spectrum tussen 0,5 – 1 THz (rechts).

Figuur 4. (a) zichtbare foto van de Madonna in Preghiera (b) THz-beeld van de Madonna in Preghiera op het geïntegreerde spectrum tussen 0,5 en 1 THz. Afbeelding van J. Dong et al. via Wetenschappelijke rapporten

THz-beeldvorming geeft informatie over de onderlagen van het schilderij met een baanbrekende mate van details in de orde van tientallen microns.

Bovendien zijn THz-beeldvorming en spectroscopie twee sterke kwantitatieve en kwalitatieve niet-invasieve methoden voor het onderzoeken van farmaceutische vaste doseringsvormen, tabletcoatings en actieve farmaceutische ingrediënten. Figuur 5 toont bijvoorbeeld de variatie tussen tabletten van de dikte van de coatinglaag van acht tabletten met dezelfde coatingtijd in het coatingproces in het THz-gebied.

Figuur 5. De gemiddelde laagdikte van elke afzonderlijke tablet tegen de coatingtijd. De inzet toont de laagdiktekaart (μm) van acht tabletten met dezelfde coatingtijd van 120 minuten. Een grote variatie van tablet tot tablet in laagdikte is duidelijk. Afbeelding van Y. C. Shen via het International Journal of Pharmaceutics

Het potentieel van de Terahertz Band

Tijdens het einde van de 20e eeuw en het eerste decennium van de 21e eeuw, toen de enorme hoeveelheid THz-labexperimenten plaatsvond, concentreerden de onderzoekers zich vooral op verschillende mogelijke THz-toepassingen en werden veelbelovende resultaten bereikt. In feite waren die fascinerende experimentele resultaten een grote motivatie en drijvende kracht voor veel onderzoekers om in het THz-veld te graven en het vanuit verschillende aspecten te verkennen.

Door de voortdurende vooruitgang op het gebied van THz-onderzoek in de afgelopen jaren, vinden THz-systemen en -toepassingen hun plek in sommige commerciële toepassingen. Om ervoor te zorgen dat THz-golven kunnen concurreren en andere technologieën kunnen overwinnen in realistische scenario's, moeten verschillende problemen worden aangepakt en/of verbeterd. Er zijn bijvoorbeeld krachtige en compacte THz-bronnen nodig, THz-meetsystemen moeten worden geminiaturiseerd, methoden voor een snellere THz-bundelscan zijn vereist en THz-systemen moeten lagere kosten hebben.

Een ander opkomend onderzoeksveld is THz draadloze communicatie. Hier is met name veel vraag naar omdat het snelle draadloze communicatie mogelijk maakt voor meer dan 5G. Daarom zijn er verschillende onderzoeken nodig om te rijpen en het volledige potentieel van de THz-band te bereiken.