6.Особенности ик и тГц диапазона

Освоение терагерцового (ТГц) диапазона частот (1 ТГц – 30 ТГц) – одно из наиболее “горячих” и бурно развивающихся направлений современной прикладной физики. Терагерцовый бум, охвативший многие исследовательские группы в различных странах мира, обусловлен перспективами широких практических приложений ТГц излучения (Т-лучей). Электромагнитные волны терагерцового диапазона отражаются металлами, но они проникают через пластмассы, бумагу, сухую древесину и любые мутные среды и мелкодисперсные материалы из-за резкого подавления рэлеевского рассеяния . В терагерцовом диапазоне лежат вращательные спектры многих органических молекул, включая колебания биологически важных коллективных мод ДНК и белков, а также фононные резонансы кристаллических решеток, что позволяет развивать новые методы спектроскопии биологических и полупроводниковых структур . Отраженные, поглощенные в среде или прошедшие сквозь нее терагерцовые волны несут в себе богатейшую информацию об объекте. Все это определяет потенциально широкий спектр применения этого излучения. С помощью терагерцового излучения можно управлять химическими реакциями и манипулировать электронными состояниями в квантовых ямах. В отличие от рентгена Т-лучи не опасны, поскольку не производят ионизацию среды и повреждение биомолекул, что позволяет проводить безвредную для человека диагностику, в том числе раковых опухолей, глубины и степени ожогов . Перспективны такие применения ТГц излучения, как беспроводная коммуникация компьютеров и периферийных устройств внутри зданий, разработка систем безопасности на основе терагерцового видения и др. Наиболее сложной проблемой в освоении терагерцового диапазона является разработка эффективных методов генерации когерентного ТГц излучения. В этом диапазоне, расположенном на оси частот между инфракрасным и микроволновым диапазонами, не применимы хорошо разработанные за последние полвека физические принципы генерации оптического и СВЧ излучений . По разным причинам здесь не работают ни методы вакуумной и классической твердотельной электроники, ни стандартные схемы квантовой электроники. Так, для молекулярных (пучковых) мазеров требуются сильное охлаждение и трудно реализуемые высокодобротные микрорезонаторы, а в газоразрядных лазерах инверсия на вращательных переходах, достаточная для генерации, достигается лишь для ограниченного числа линий .

В целом доступные источники когерентного терагерцового излучения являются

маломощными (от нано- до микроватт, иногда — до ватт), плохо перестраиваемыми и фактически покрывающими лишь отдельные узкие полосы частот. В этом отношении большие надежды возлагаются на полупроводниковые источники, которые хорошо зарекомендовали себя в оптическом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах и в последние годы стали активно развиваться также в терагерцовом и дальнем ИК диапазонах. Поэтому большое внимание уделяется направлению полупроводниковой электроники, потенциально ведущей к созданию компактных, монолитных, эффективных и дешевых генераторов излучения с длиной волны от десятка до сотен микрон.

Интерес к среднему ИК - диапазону длин волн, который до появления квантовых каскадных лазеров фактически не мог быть освоен, основан на целом ряде обстоятельств. Прежде всего, в этом диапазоне лежат характерные «окна прозрачности» атмосферы (в районе 3, 4, 5, 10 и 20 мкм). Среди этого ряда наибольший практический интерес с точки зрения задач спектроскопии и мониторинга представляют источники, излучающие в области 8 ÷ 10 мкм, так как именно этому участку спектра соответствует окно прозрачности атмосферы, а также многочисленные колебательно-вращательные спектры поглощения наиболее распространенных газов (N2O, O3 , CH4 и др.). Создание лазеров для этого «окна» позволило бы решить массу проблем, относящихся к мониторингу и защите окружающей среды, поскольку этот диапазон одновременно содержит характерные колебательно- вращательные спектры разнообразных молекул.

Терагерцовым излучением называется электромагнитное излучение в интервале, лежащим между инфракрасным и микроволновым диапазонами, поэтому его часто также называют дальним ИК диапазоном.

В терагерцовом диапазоне лежат спектры излучения астрономических объектов, а также спектры сложных органических молекул (таких как молекулы белков и ДНК, некоторых взрывчатых веществ, вредных веществ – загрязнителей атмосферы).

Одними из наиболее перспективных источников терагерцового излучения являются ККЛ. Основные их достоинства заключаются в компактности и возможности работы в широком спектральном диапазоне.