Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО "Московский педагогический государственный университет"

Курсовая работа на тему:

"Детекторы терагерцового излучения"

Выполнила: студентка 2курса, 1 группы ФФиИТ

Карпова Александра Александровна

Руководитель: д.ф.м.н., доцент КОЭФ

Смирнов К.В.

Москва, 2014

Содержание

• Введение
• 1. Основные применения терагерцового излучения
• 2. Основные типы детекторов терагерцового диапазона
• 2.1 Детекторы прямого обнаружения
• 2.2 Детекторы с гетеродинным обнаружением

Введение

Терагерцовым излучением называется электромагнитное излучение в интервале частот от 0,3 до 10 ТГц, т.е. 0,3Ч10¹² - 10Ч10¹² Гц (длина волны 1 мм - 30 мкм). Этот частотный интервал занимает часть электромагнитного спектра между инфракрасным (ИК) и микроволновым диапазонами, поэтому его часто также называют дальним ИК или субмиллиметровым 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).

До настоящего времени терагерцовый диапазон остается малоизученным по сравнению с соседними - инфракрасным и микроволновым. Разработанные во второй половине ХХ века источники когерентного ИК-излучения (лазеры) и микроволнового излучения (электронные приборы) плохо подходят для генерации излучения в промежуточном терагерцовом диапазоне; в случае лазеров, это связано с тепловым размытием лазерных уровней, а в случае электронных приборов - с конечным временем пролета электронов.

С другой стороны, большое количество важных задач во многих сферах деятельности связано с исследованием излучения терагерцового диапазона. Это, например, биомедицинские приложения, космические исследования, и многие другие. Именно терагерцовой спектральной области соответствуют характерные частоты фононов в твердых телах, а также вращательно-колебательные моды тяжелых молекул. Поэтому характерные частоты излучения тяжелых молекул могут дистанционно регистрироваться при наличии высокочувствительных фотоприемных систем данного спектрального диапазона.

На высокочастотную область терагерцового диапазона приходится тепловое излучение предметов комнатной температуры. Однако излучение естественных терагерцовых источников не является когерентным, поэтому его нельзя применить для таких задач, как связь, локация, спектроскопия и т.п. До недавнего времени большая часть терагерцового спектра не использовалась в связи с тем, что отсутствовали как источники, так и приемники когерентного излучения этого диапазона. Поэтому терагерцовый участок электромагнитного спектра назвали "терагерцовым провалом".

Рис. 1 Электромагнитные волны в терагерцевом (ТГц) спектральном диапазоне

1. Основные применения терагерцового излучения

ТГц излучение уже находит применение в некоторых отраслях народного хозяйства и повседневной жизни людей.

В системах безопасности используется ТГц (мм) излучение для сканирования багажа и людей. В отличие от рентгеновского, ТГц излучение не наносит вреда организму. С его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и др. предметы на расстояниях до десятков метров.

Совершенствование ТГц приёмных камер позволит получать снимки поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что, в свою очередь, сделает возможным "бесконтактное" восстановление первоначального облика произведений живописи.

Еще терагерцевое излучение можно использовать для контроля качества пищевых продуктов. Первые опыты дали многообещающие результаты. Терагерцовое излучение позволяет сквозь упаковку выявлять посторонние предметы в продуктах, обнаруживать недовес, определять состояние скоропортящихся изделий и так далее. Точно так же терагерцовое излучение может быть использовано для проверки почтовых отправлений на предмет содержания в них биологического оружия вроде спор сибирской язвы. Кроме того, терагерцовое излучение может быть использовано и в телекоммуникации. Ещё одна важная сфера применения - медицина.

В Англии есть группа исследователей, которой удалось разработать методику, позволяющую надёжно диагностировать базальноклеточную карциному - это одна из форм рака кожи. Правда, опытный врач-дерматолог ставит такой же диагноз и просто на глаз. Зато он не может сказать, насколько глубоко ткани поражены карциномой, а британские физики это видят в терагерцовых лучах.

Есть немало и других идей. Электромагнитные волны терагерцовой частоты должны помогать сапёрам находить противопехотные мины, дантистам - быстро и без вреда для здоровья пациента выявлять скрытый кариес, ветеринарам - проводить профилактические осмотры львов, медведей и прочих поросших густой шерстью обитателей зоопарков...

Современные технологии позволяют создавать квантово-размерные объекты, такие как квантовые точки. Энергии возбуждения квантовых точек соответствуют энергии фотонов терагерцового излучения, поэтому с его помощью можно когерентно управлять такими объектами.

Ещё одна область, которая, в ближайшие годы обретёт большое значение - это биомолекулярные исследования. Многие учёные почти уверены, что резонансные частоты молекул белков и ДНК лежат в терагерцовом диапазоне. Это позволяет надеяться, что таким образом удастся идентифицировать молекулы и фрагменты ДНК без использования цветовых маркеров.

2. Основные типы детекторов терагерцового диапазона

терагерцовый диапазон излучение детектор

Все терагерцовые системы обнаружения могут быть подразделены на две группы:

а) некогерентные (прямого детектирования) системы обнаружения

б) когерентные (гетеродинные) системы обнаружения.

Некогерентные системы обнаружения позволяют определять только амплитуды сигналов и, как правило, являются широкополосными системами. Когерентные системы обнаружения позволяют определять не только амплитуды сигналов, но так же их фазы, что важно для увеличения объема информации, получаемой об объекте.

2.1 Детекторы прямого обнаружения

В субмиллиметровом и миллиметровом спектральных диапазонах сенсоры с прямым детектированием подходят для применений, не требующих ультравысокого (н/Дн < 10⁶) спектрального разрешения, которое обеспечивается гетеродинным спектроскопическими системами. Но в отличие от гетеродинных систем детектирования для них не существует проблем формирования многоэлементных матриц, обусловленных мощностью локального осциллятора или гетеродина и быстрым откликом детекторов (ф ~ 10^-10...10^-11 c). Поэтому даже детекторы, действующие при комнатной температуре с относительно большим временем отклика (ф ~ 10^-2 ...10^-3 c) и умеренной чувствительностью, могут быть использованы в системах прямого детектирования.

Среди таких детекторов для формирования терагерцовых изображений применяют, например, ячейки Голея и пироэлектрические детекторы, болометры и микроболометры, которые используют антенны для связи с малыми поглощающими тепловое излучение областями. Значение NEP для не охлаждаемых детекторов обычно составляет от 10^-10 до 10^-9 Вт/Гц ^1/2 (табл.1.)

Таблица 1. Параметры некоторых не охлаждаемых терагерцовых детекторов

В этой таблице использованы следующие обозначения: HEMT- транзисторы с высокой подвижностью электронов, MOSFET- МОП полевые транзисторы, SHEB- полупроводниковый болометр на горячих электронах.

Так же используются различные виды охлаждаемых полупроводниковых детекторов (болометры на основе InSb, Si, Ge с горячими электронами, примесные Si и Ge) со временем отклика (ф < 10-6...10-8 c) и NEP ? 10-¹³...5*10-¹⁷ Вт/Гц^0.5 при рабочей температуре Т<4 К.

Схематическое представление прямого детектирования показано на рис.2.

Рис. 2. Схематическое представление прямого детектирования: WS - сигнальная мощность и WB мощность фонового излучения; iS - сигнальный ток [1]

На детектор падает как сигнальное излучение с мощностью WS, так и фоновое излучение с мощностью WB. Фокусирующая оптика(линзы, зеркала и т.д.)используется для сбора излучения с большой площади и фокусировки ее на детектор. Часто оптический фильтр расположен до детектора для удаления фонового излучения в спектральном диапазоне длин волн, отличных от длины волны сигнала. Относительно малый электрический сигнал от детектора усиливается и генерируемый сигнал iS в дальнейшем обрабатывается.

Преимущество систем с прямым детектированием является относительная простота и возможность разработки крупноформатных матриц. Большинство систем формирования изображения используют прямое детектирование, и эти системы обычно пассивного типа.

2.2 Детекторы с гетеродинным обнаружением

В гетеродинных детекторах сигналы с терагерцовыми и субтерагерцовыми частотами преобразуются в сигналы с более низким промежуточными частотами (IF), представляя информацию об амплитуде и фазе входного излучения.

Схема гетеродинного детектирования показана на рис.3.

Рис. 3. Упрощенное схематическое представление гетеродинного приемника: WS-мощность сигнала с частотой нS; WB-мощность фонового излучения; WLO- мощность излучения локального осциллятора с частотой нLO и нIF-промежуточная частота.

В добавок к сигналу WS и мощности фонового излучения WB добавляется мощность излучения WLO от локального осциллятора(например, лазера или любого другого вида узкополосного источника излучения).Локальный осциллятор LO необходим для обеспечения процесса оптического смешивания. Основными элементами миллиметровых и субмиллиметровых гетеродинных детекторов является смеситель, который необходим для смешивания Ws и WLo и для генерации сигнала на промежуточной частоте

нIF = |нS - нLO|.

Ключевым компонентом смесителя является нелинейный смешивающий элемент (детектор), в котором сигнальная мощность и мощность сигнального излучения локального осциллятора взаимодействуют при использовании некоторого вида диплексера (фильтра, предназначенного для объединения сигналов различных диапазонов частот, который служит для объединения двух портов в один).

В таб.2 представлены ограничения современных технологий с одним источником LO, действующим при 300 и 120 К.

Таблица 2. Ограничения современных технологий с одним источником LO,действующим при 300 и 120 K

Расчеты предполагают, что импульсная мощность LO, требуемая для смесителей Шоттки, составляет 1 мВт, для смесителей сверхпроводник - диэлектрик - сверхпроводник (SIS) - 40 мкВт и для смесителей на основе болометров с горячими электронами (HEB) - 2 мкВт.

Основным преимуществом систем гетеродинного детектирования является то, что информация о частоте и фазе сигнала с частотой Vs преобразуется в частоту Vif, которая находится в намного более низкочастотном диапазоне (Vif"Vs), соответствующем времени отклика электроники. Это преобразование (Vs > Vif) называется гетеродинным переходом (конверсией). Если частоты сигнала и локального осциллятора равны между собой, то Vif=0 (т. е. вырождается в постоянный сигнал), и такой процесс детектирования называется гомодинным переходом.

Для эффективного преобразования и обеспечения низкого шума в миллиметровом и субмиллиметровом спектральных диапазонах может быть использовано только несколько типов детекторов только в качестве смесителей. Часто применяют приборы, имеющие сильную электрическую квадратичную нелинейность. Примерами являются прямосмешенные диоды Шоттки, сверхпроводник - диэлектрик-сверхпроводник(SIS) с туннельным переходом, полупроводниковые и сверх проводниковые болометры HEB, сверхрешетки(SL).

Гетеродинные детекторы чаще всего используются в исследованиях при измерениях излучения космического микроволнового фона(СМВ) в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Типичный приемник включает коническую антенну, усилитель, полосовой фильтр и детектор на основе SIS или HEB.

Размещено на Allbest.ru