Правда о терагерцах

Беспроводная передача больших файлов в мгновение ока! Обнаружение бомб, ядовитых газовых облаков и скрытого оружия издалека! Наблюдение через стены с помощью терагерцового зрения! Все это становится возможным с терагерцовыми технологиями.

Правда нюансов здесь немного больше, чем кажется на первый взгляд. Терагерцовый режим расположен в слое электромагнитного спектра между микроволновой и оптической областями, что соответствует частотам от 3x10¹¹ до 10¹² Гц (или, если хотите, длинам волн от 1 мм до 30 мкм). Это излучение имеет ряд уникальных и весьма привлекательных свойств. Так, например, оно позволяет получить изображения с чрезвычайно высоким разрешением и быстро перемещать большие объёмы данных. И все же это не ионизирующее излучение, а значит, его фотоны имеют не достаточно энергии, чтобы выбить электроны из атомов и молекул в тканях человеческого тела, что могло бы вызвать вредные химические реакции. Волны также стимулируют молекулярные и электронные движения во многих материалах – отражаясь от чего-либо, проникая свозь что-либо и поглощаясь. Эти особенности были использованы в лабораторных демонстрациях для определения взрывчатки, выявления скрытого оружия, проверки наличия дефектов в плитке на спутнике, и снятия снимков рака кожи и зубов.

Но так и не была реализована цель по превращению таких лабораторных явлений в реальные приложения. Легионы исследователей боролись с этой проблемой десятилетиями.

В последние 10 лет велась наиболее интенсивная работа по «приручению» режима и рассмотрению возможностей его использования. В 2007 году в США состоялся обзор компактных источников терагерцового излучения. Главной целью которого было определение состояния технологии. Всего было заслушано около 30 команд исследователей и разработчиков. Кое-что в рамках обзора сделать не удалось сделать, хотя он дал четкое представление о многих проблемах эксплуатации терагерцового режима. Наибольший интерес представляли ответы на такие вопросы как: «Для чего лучше всего подходит использование терагерцовых частот?», «Насколько они прихотливы при производстве, контроле, применении, и других манипуляциях»?

В общем, я начал собственное расследование. Я изучал ключевые вопросы в развитии трех приложений, которые широко обсуждались в кругах защиты, безопасности и правоохраны. А именно, связи и радиолокации, идентификации вредных веществ на расстоянии, и взгляда через стену. Я также посмотрел на 20 или около того компактных терагерцовых источников, охваченных в обзоре 2007 года, чтобы увидеть, есть ли у них общие проблемы с производительностью, несмотря на различие их конструкций и особенности. Недавно я освежил свои заключения, хотя многое из того, к чему я пришел еще тогда, справедливо и сейчас.

Мои усилия не направлены на то, чтобы препятствовать погоне за этими потенциально ценными технологиями, вовсе нет. Но есть некоторые истины, с которыми неизбежно приходится сталкиваться тем, кто работает с этой технологией. И вот что я нашёл.

Немного истории терагерцовых технологий

Не смотря на то, что о терагерцах так много разговоров в последнее время, явление это на самом деле не ново. Оно просто расходилось под разными названиями – в прошлом как околомиллиметры, микроволны, крайне далекая инфракрасность. По крайней мере с 1950-х годов, исследователи стремились выявить его привлекательные свойства. Так, например, использование этой части электромагнитного спектра спектроскопистами в ранних молекулярных исследованиях, заложили основу для ее применения в наземных радиотелескопах. С годами появилось и несколько других ниш использования этих технологий. Прежде всего, это область космического базирования дистанционного зондирования. В 1970-х, «космические» ученые начали использовать дальний инфракрасный диапазон и микроволновые спектрометры для исследования химического состава межзвездной среды и планетных атмосфер. Вот одна из моих любимых статистик, которую я получил от астронома Дэвида Лейсавица из Годдардского Центра Космических Полетов НАСА: 98 % фотонов, выпущенных после большого взрыва, находятся в микроволновом и дальнем инфракрасном диапазонах, суть в том, что обсерватории, такие как Космическая обсерватория Хершела спроектированы так, чтобы использовать это как преимущество. В самом деле, можно с уверенностью сказать, что терагерцовые технологии нынешним своим развитием обязаны радиоастрономии и космической науке.

Выведенные на орбиту терагерцовые инструменты (приборы) имеют большое преимущество перед своими земными аналогами: они в космосе! В частности, они работают в форвакууме и нет необходимости бороться с плотной атмосферой, которая поглощает, преломляет и рассеивает терагерцовые сигналы. Они также не вынуждены работать в ненастную погоду. На Земле же нет простого способа обойти фундаментальную физику. Вы можете работать на больших высотах, где ниже плотность и меньше влаги, но многие из предусмотренных терагерцовых приложений предназначены для использования на местах. Вы можете увеличить амплитуду сигнала в надежде, что достаточно излучения будет получено приёмником, но в какой-то момент, как мы увидим, это окажется просто не практично.

Ослабление сигнала

Определение опасных материалов на расстоянии

Другим потенциально бесценным и сильно расхваленным использованием для терагерцовых волн является определение опасных материалов на расстоянии. В их газовой фазе, много природных и техногенных молекул, в том числе аммиака, угарного газа, сероводорода, и метанола, поглощющих фотоны при возбуждении на терагерцовчх частотах, и эти полосы поглощения могут служить химическими отпечатками пальцев (химическими подписями). Тем не менее, за пределами тщательно откалиброванных лабораторных условий или условий редкой среды, возникают осложнения.

Допустим, вы работаете с опасными веществами и получили сообщение о возможном нападении газом зарин. Очевидно, вы хотите сохранить дистанцию, поэтому вытащите ваш надежный портативный инфракрасный спектрометр, который работает примерно так же, как трикодер в «Star Trek». Он посылает направленный поток терагерцового излучения в облако, газ поглощает излучение с характерным спектрально-частотными подписями. В отличие от узкополосного сигнала который, вероятно, используют канала связи или радара, ваш спектрометр посылает широкополосный сигнал, примерно от 300 ГГц до 3 ТГц. Конечно, для того, чтобы сигнал возвращается на ваш спектрометр, ему необходимо будет отражаться от чего-то большего, чем газовое облако, например здания, контейнера, или даже деревьев. Но, как и в предыдущем случае, атмосфера снижает амплитуду сигнала при прохождении облака, а затем возвращает обратно на детектор. Атмосфера также размывает спектральные характеристики облака из-за эффекта, известного как расширение под давлением. Даже на расстоянии всего в 10 метров, с такими эффектами было бы трудно, если не невозможно, получить точные показания. Еще одной шероховатостью является то, что химические подписи некоторых материалов – это столовый сахар, поэтому некоторые пластические взрывчатые вещества, например, оказываются такими замечательно невзрачными, что отличить их друг от друга становится невозможно.

Взгляд сквозь стену

К настоящему времени, вы не будете удивлены, узнав, что взгляд сквозь стену – еще одно широко обсуждаемое применение терагерцового излучения, также сталкивается с серьезными препятствиями. Идея достаточно проста: цель (объект) терагерцового излучения отображается на стене, когда объект, расположен за ней.

Терагерцевые волны могут проникать сквозь некоторые материалы, которые непрозрачны при видимом свете, но не через все. Поэтому в зависимости от того из чего сделана стена и какой она толщины, некоторые волны будут проходить и отражаться от объекта, а затем возвращаться обратно к источнику через стену, где они могут раскрыть образ скрытого объекта.

Претворение в жизнь простой идеи – совсем другое дело. Во-первых, давайте предположим, что сам объект не рассеивает, не поглощает или иным образом не ухудшает сигнал. Тем не менее, качество изображения, которое вы получите, будет зависеть в значительной степени от того, из чего сделана стена. Если стена сделана из металла или какого-либо другого хорошо проводящего материала, вы не будете получать изображение вовсе. Если же стена содержит любой из обычных (тепловых) изоляторов или строительных материалов, вы все еще можете получить серьезное ослабление сигнала, в зависимости от материала и толщины стены, а также от частоты, которую вы используете. Например, сигнал с частотой 1 ТГц при прохождении через кусок фанеры толщиной четверть дюйма, будет иметь 0.0015 % мощности сигнала с частотой 94 ГГц проделавшего тот же путь. И если материал сырой, то потери будут еще выше. (Такие факторы влияют не только на визуализацию через барьеры, но и на терагерцовые беспроводные сети, которые требуют, по крайней мере, прямой линии видимости между источником и приемником.) В общем, распространенная детская мечта об обладании парой «рентгеновских очков», вероятно, в ближайшее время реализована не будет.

Это правда, что некоторые исследователи успешно демонстрировали зрение через стены. В этих демонстрациях, источники излучения испускали импульсы излучения в широком диапазоне частот, в том числе терагерцовом. Учитывая то, что мы знаем о затухании на более высоких частотах, некоторые учёные, которые изучали результаты, все же считают, что весьма вероятно, что визуализация происходит не в терагерцовой области, а на низких частотах. И если это так, то почему бы для начала не использовать миллиметровые волны тепловизора?

Терагерцовые технологии в медицине

В каком-то смысле потенциал терагерцовых технологий, больше относимый, как я слышал, к творческому, реализуют для сканирования мозга, обнаружения опухолей, и сканирование всего тела. Результаты таких исследований человека дали бы гораздо более детальные снимки, чем с помощью любой существующей в настоящее время технологии, и в то же время это было бы полностью безопасно. Но реальность вновь отстает от мечты. Франк Де Люсия, физик из Университета штата Огайо в городе Колумбус, отметил, что мощность терагерцового сигнала снизится до 0.0000002 % от его первоначального значения после пути в 1 мм в солевом растворе, который является хорошим приближением к тканям тела. (Интересно, что диэлектрические свойства воды, это то, что заставляет воду поглощать терагерцовые частоты. В самом деле, ведь вы используете диэлектрический нагрев, когда вы разогреваете пищу в микроволновой печи, хоть и на более низких частотах.) На данный момент, по крайней мере, медицинские терагерцовые приборы будут полезны только для поверхностной визуализации таких вещей, как рак кожи и распад зубов, а так же для лабораторных испытаний на образцах тонких тканей.

Вот некоторые из основных проблем использования терагерцового режима. Физика действительно сложна, но, это не мешает разработчикам продолжать заниматься множеством различных терагерцовых устройств для различных приложений. Поэтому я обратил внимание на работу систем, способных генерировать излучение на терагерцовых частотах. Я решил сосредоточиться на источниках, потому что другие компоненты: детекторы, приемники, устройствах управления и другие, напрочь раскритикованы. Люди, знакомые с этой областью проблем, в значительной степени согласны, что удерживает прогресс отсутствие соответствующих источников.

Некоторые технические аспекты

Компактные терагерцовые источники действительно трудно сделать! Это очень хорошее обоснование их нехватки. Для многих приложений, источник должен быть достаточно мощным, чтобы преодолеть очень сильное затухание сигнала, иметь достаточно высокое КПД, чтобы рядом не потребовалась установка дополнительного генератора, и быть достаточно небольшим, чтобы располагаться на площади меньшей, чем бортовой грузовик. (Для некоторых приложений, чистота спектра исходного объекта, управляемость, или пропускная способность важнее, поэтому уменьшение энергии приемлемо.) Успешные космические инструменты, упоминавшиеся ранее лишь обнаруживают терагерцовое излучение, которое небесные тела и события, естественно, излучают, хотя некоторые из этих инструментов используют источник с низким энергопотреблением для повышения чувствительности, но они пока не используют передачу на терагерцовых частотах.

Обзор правительства в 2007 году небрежно определил компактный источник терагерцового излучения как имеющий диапазон средней или выходной мощности в пределах от 1 мВт до 1 Вт, работающий в диапазоне частот от 300 ГГц до 3 ТГц, и являющийся более или менее портативным. (Мы выбрали среднюю мощность, а не пиковую, потому что в конечном счете, это средняя мощность, которая рассчитывается практически всеми предусмотренными приложениями.) В дополнение мы попросили, чтобы источник имел КПД преобразования минимум 1 % на каждые 100 Вт входной мощности, когда источник будет выдавать сигнал мощностью 1 Вт и более. И даже такая скромная цель оказалась сложна в реализации.

Обзор 2007 года включал около 20 источников терагерцового излучения. У меня не хватит места здесь, чтобы описать, как каждое из этих устройств работает, но в целом они делятся на три основные категории:

• вакуумные (в том числе с обратной волной, клистроны, решетка-вакуумную технику, ЛБВ и гиротроны);
• твердотельные (в том числе гармонические частотные множителели, транзисторы, и монолитные СВЧ интегральных схем);
• лазерные и фотонные (в том числе квантовые каскадные лазеры, молекулярные лазеры с оптической накачкой и различные оптоэлектронные радиочастотные генераторы).

Вакуумные устройства и лазеры показывают высокую среднюю мощность на нижних и верхних частотах соответственно. Далее следуют твердотельные устройства, а затем фотонные. Если быть честным, то назвать гиротрон компактным источником можно лишь с большой натяжкой, в то же время фотонные источники могут производить высокую пиковую мощность, начиная от сотен ватт до киловатт, они также требуют высокой мощности оптического дисковода.

Несмотря на их значительные различия в дизайне и некоторые изменения в производительности, эти три класса терагерцовых технологий имеют схожие проблемы. Один важный вопрос это их равномерно низкая эффективность преобразования, которая, как правило, гораздо меньше одного процента. Таким образом, чтобы получить сигнал мощностью 1 Вт, Вам будет необходимо работать с потребляемой мощностью порядка киловатта или больше. Другие бытовые электронные и оптические приборы, для сравнения, гораздо более эффективны. Усилитель мощности в типичном 2 ГГц смартфоне, например, работает с эффективностью порядка 50 %. Рекламный красный диодный лазер может конвертировать электроэнергию в свет с эффективностью более 30 %.

Эта низкая эффективность в сочетании с малым размером устройства приводит к другой проблеме: чрезвычайно высокой плотности мощности и плотности тока. Для вакуумных и твердотельных приборов, плотность мощности была в диапазоне от нескольких мегаватт на квадратный сантиметр. Предположим, что Вы хотите использовать обычную вакуумную лампу бегущей волны (ЛБВ), которая увеличивает масштаб для работы с 1 ТГц. Такое устройство может потребовать от вас сфокуссировать электронный пучок с плотностью мощности в несколько мегаватт на квадратный сантиметр в вакуумированный круг, имеющей внутренний диаметр около 40 мкм – это около половины диаметра человеческого волоса. (Солнечная радиация на поверхности Солнца, напротив, имеет плотность мощности всего около 6 кВт/см².) Терагерцовый транзистор, с его нанометровыми особенностями, работает на аналогичном высокий уровне плотности мощности. И все рассмотренные электрические и фотонных устройства, даже квантовый каскадный лазер, требуют высокой плотности тока, начиная от килоампера на квадратный сантиметр и заканчивая мультимегаамперами на квадратный сантиметр. Кстати, верхняя часть этого диапазона плотности тока является типичной для того, что можно увидеть в импульсно-энергетических электрических генераторах, используемых для испытаний ядерных эффектов, среди прочих вещей.

Компактные электрические и оптические устройства могут регулировать условия, но не следует действовать на рожон – если устройство не достаточно охлаждено, внутреннее рассеивание мощности сведено к минимуму, и даже используя правильные материалы, оно может быстро расплавиться или испаряться, или же иным образом испортиться. И, конечно же, в конце концов вы достигнете верхнего предела, за которым вы просто не сможете получить плотность мощности и плотность тока хоть сколько-нибудь выше.

Связь выходной мощности и частоты

Как физик, я, конечно, заинтересован в связи между выходной мощностью источников и их частотой, тем, что называется промышленной частотой масштабирования. При построении графика средней мощности устройства от частоты вы хотите увидеть кривую настолько горизонтальной, насколько это возможно. Такое положение означает, что с ростом частоты, выходная мощность остается стабильной или, по крайней мере, не падает. В типичных радиочастотных устройствах, таких как транзисторы, твердотельные диоды и СВЧ вакуумные трубки, мощность имеет тенденцию к падению, как величина, обратная частоте в квадрате. Другими словами, при удвоении частоты, выходная мощность снижается в четыре раза.

Большинство электрических терагерцовых источников, рассмотренных в 2007 году, однако, имели более крутые кривые промышленной частоты, что по существу было не важно, раз уж они попали в терагерцовый диапазон. В общем, мощность масштабируется как величина, обратная частоте до ее четвертой степени или того хуже, что означает, что при удвоении частоты, выходная мощность упадет в 16 раз. Таким образом, устройство, которое может генерировать несколько ватт на частоте 100 ГГц способно выдавать лишь несколько сотен микроватт на частоте 1 ТГц. Лазеры, так же потеряют в мощности в терагерцовой области частот, причем быстрее, чем можно было ожидать.

Учитывая то, что я упоминал ранее о крайнем ослаблении сигнала в терагерцовом режиме и низкой эффективности преобразования источников, резкое падение мощности представляет собой еще один существенный барьер для коммерциализации технологии.

Основные тенденции в технологии устройств

Хорошо, скажете вы, но не нельзя же все эти проблемы отнести к тому факту, что источники по-прежнему технологически недоразвиты? Иными словами, не следует ли нам подождать лучшего исполнения устройств для улучшения ситуации? Конечно, технологии становятся все лучше. За несколько лет между моей первоначальным анализом и этой статьей, я рассмотрел несколько основных тенденций в технологии устройств, кратко описанных ниже.

Средняя мощность вакуумных устройств, создающих микроформы выросла на два порядка: от приблизительно 10 мкВт до более чем милливатта на частоте 650 ГГц, и исследователи сейчас работают над многолучёвыми устройствами и устройствами с ленточными пучками, способными к выдаче высокой мощности, по сравнению с единицей низковольтного кольцевого пучка.

Средняя мощность миллимитровых монолитных микроволновых интегральных схем и транзисторов увеличилась в 5-8 раз, до уровня 100 мВт при частоте 200 ГГц и 1 мВт при частоте 650 ГГц. Диапазон рабочих частот для милливатт-класса с криогенным охлаждением квантовых каскадных лазеров был опущен до 1,8 ТГц в 2012 году, по сравнению с 2,89 ТГц в 2007 году.

С прицелом на использование за пределами лаборатории, исследователи улучшают их источники и в других отношениях тоже, в том числе улучшается упаковка фотонных устройств и лазеров и повышается температура эксплуатации квантовых каскадных лазеров. Учитывая количество усилий и интерес к этой теме, здесь, безусловно, будет много прорывов и улучшений в будущем.

Коротко о главном

Итак, отмечу основные моменты. В то время как терагерцовая молекулярная спектроскопия находит научное применение в радиоастрономии и дистанционном зондировании космоса, некоторые из получивших широкую огласку применений основных течений в терагерцовых технологиях продолжают подрывать доверие. Кроме того, несмотря на недавний прогресс в раскусывании терагерцового <ореха>, по-прежнему чрезвычайно трудно эффективно производить компактные терагерцовые устройства с полезным уровнем мощности. Я твердо уверен в том, что любое приложение, преподносимое как использующее терагерцовое излучение должно быть утверждено и тщательно проверено на наличие альтернативных подходов. Действительно ли оно использует частоты терагерцового диапазона или же участвует какой-либо другой участок электромагнитного спектра? Является ли приложение действительно практичным? Не требует ли таких особенных условий работы, которые наверняка никогда не будут достигнуты реальном мире? Есть ли конкурирующие технологии, которые работают так же хорошо или даже лучше?

Существует еще много чего, что мы не знаем о работе на терагерцовоых частотах. Я думаю, что мы должны сохранить активность исследования фундаментальной науки и техники. Для начала, нам нужно развивать точные и надежные вычислительные модели для анализа разработки и работы устройств на терагерцовых частотах. Такие модели будут иметь ключевое значение для будущих достижений в этой области. Нам также необходимо более глубокое понимание свойств материала на терагерцовых частотах, а также вообще терагерцовой феноменологии.

В конечном счёте, мы, возможно, должны использовать нестандартное мышление для создания замыслов и подходов, которые соединят физику новых устройств с нетрадиционными методами. В других областях электроники мы преодолели огромные трудности и открыли невероятные возможности, с которыми и бесчисленные прошлые прогнозы разлетелись в дребезги. Конечно, как и со всем развивающимся, последнее слово скажет Выживший в дарвиновском отборе.

Об авторе

Картер М. Армстронг является вице-президентом по инжинирингу электронных устройств подразделения L-3 Связи, в Сан-Карлос, Калифорния. Ученый, специализирующийся на вакуумных устройствах. Он говорит, что одна из его любимых статей «IEEE Спектра» всех времён является статья Роберта С. Симонса «Лампы: И все-таки живы, после всех этих лет», вышедшая в апреле 1998 г. «Это было справедливо тогда, и остается верным по сей день», говорит Армстронг.

Для любознательных

Многие из тем, обсуждаемых в этой статье, в том числе терагерцовых приложений и создания источников терагерцового излучения, обращаются к технически более подробно изложенной в первом выпуске затравочной статьи [2] IEEE «Труды в терагерцовой науке и технике», Том 1, № 1, сентябрь 2011. Среди работ, посвященных приложениям, например, таким как «Обнаружение взрывчатых веществ на Терагерцовой спектроскопии - Мост слишком далеко?» Майкл С. Кемп и «ТГц медицинской визуализации: в живой гидратации зондирования» по Зачары Д. Тэйлор и соавт.

Марк Дж. Rosker и Х. Брюс Уоллес обсудили некоторые из проблем терагерцовой визуализации в своей статье «Изображений через атмосферу на терагерцовых частотах», IEEE MTT-S Международный симпозиум, июнь 2007. В документе, который является источником рисунка «Атмосферные эффекты» в этой статье детали сыграли важную роль, как влажность исполняет роль атмосферного затухания на терагерцовых частотах.

Многие исследования рассматривали различные аспекты работы в терагерцовом режиме. Например, «Исследования теоретической оценки наивысших применяемых частот» [PDF], Дж. Р. Норбери, C.Дж. Гиббинс и Д.Н. Мэтисон, исследуют верхние рабочие пределы для нескольких возможных систем связи и радиолокационных систем.

Данные о передаче и коэффициенте отражения материалов на терагерцовых частотах важно для анализа и разработки приложений. Полезная база данных значений терагерцовых ослаблений для многих распространённых материалов входит в доклад за май 2006 «Терагерцовое поведение оптических компонентов и распространенных материалов» [PDF], Эндрю Дж. Гейтсман и соавт.

Партийная литература [3]

1. Carter M. Armstrong. The Truth About Terahertz. IEEE Spectrum, 20 Aug 2012. // IEEE Spectrum, http://spectrum.ieee.org/aerospace/military/the-truth-about-terahertz

2. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 1, No.1, September 2011.

3. Ленин В.И. Партийная организация и партийная литература. - Полн. собр. соч. - Т. 12. - С. 101-115.