КОНВЕРТЕР ТЕРАГЕРЦОВЫХ ВИБРАЦИЙ В ТЕРАГЕРЦОВОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
CONVERTER OF TERAHERTZ VIBRATIONS INTO TERAHERTZ ELECTROMAGNETIC RADIATION

Изобретение относится к источникам терагерцового (ТГц) излучения, а именно к конвертерам ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение на основе золотых нанообъектов, и может применяться в устройствах для дистанционной визуализации оружия, скрытого под одеждой на туловище человека, в аэропортах, вокзалах и местах проведения массовых мероприятий, а также для сканирования людей на контрольно-пропускных пунктах - с целью обнаружения предметов, укрываемых под одеждой; изобретение также может применяться для медицинских исследований: при визуализации раковых клеток в онкологических клиниках и для наблюдения состояния ран и ожогов под бинтами, не снимая последних, - в ожоговых центрах, а также для неконтактного исследования дерматологических патологий, не допускающих контактную акустическую диагностику.
Известен генератор субтерагерцового и терагерцового излучения на основе оптического транзистора (патент RU 2536327, H01L 31/112, G02F 1/00, опубл. в 2014 г.), включающий источник лазерного излучения, электрическую цепь с источниками напряжения и импедансной нагрузкой и оптически активный элемент. Оптически активный элемент оснащен дополнительным полевым транзистором, имеющим в подзатворной области слой полупроводника с коротким временем жизни фотовозбужденных носителей заряда, затвор из прозрачного или полупрозрачного материала, при этом электрическое смещение подается на сток и исток проводящего канала полевого транзистора.
Известен также многоэлементный генератор терагерцового излучения (патент RU 2523746, G02F 1/00, опубл. в 2014 г.), содержащий исследуемый образец, лазер, излучающий фемтосекундное лазерное излучение, многоэлементный эмиттер, состоящий хотя бы из одного элементарного эмиттера, представляющего собой слой кристаллического полупроводника с напыленной металлической маской, формирующей резкий градиент освещенности слоя кристаллического полупроводника фемтосекундным лазерным излучением, при этом на границе освещенной и неосвещенной частей слоя кристаллического полупроводника сформирован резкий градиент концентрации фотовозбужденных носителей зарядов параллельно поверхности слоя кристаллического полупроводника. Также содержит эллиптическое зеркало, выполненное формирующим фокусированный пучок ТГц излучения и содержащее отверстие для пропускания фемтосекундного лазерного излучения, а многоэлементный эмиттер выполнен содержащим растр цилиндрических микролинз, распределяющий фемтосекундное лазерное излучение между элементарными эмиттерами и формирующий на слое кристаллического полупроводника освещение только областей, участвующих в генерации ТГц излучения, кроме того, металлическая маска выполнена в виде плоских металлических полос.
Общими недостатками описанных устройств являются малое сечение потока ТГц излучения, что не позволяет применять их для обнаружения предметов, скрытых под одеждой субъекта-носителя оружия, когда на его туловище требуется создавать пятно освещения диаметром ~ 40 см, а также применение в описанных устройствах дорогостоящего источника лазерного излучения.
N
Е
Е
N
E
h
Е
h
a
F
m
a
F
F
m
За прототип выбран конвертер терагерцовых вибраций в терагерцовое электромагнитное излучение на основе золотых нанообъектов (K. Moldosanov and A. Postnikov, A terahertz-vibration to terahertz-radiation converter based on gold nanoobjects: a feasibility study, Beilstein Journal of Nanotechnology, 2016, vol. 7, pages 983-989, опубл. 06 июля 2016 г.), включающий размещенные в корпусе электромагнитный излучатель, облучаемую подложку с золотыми нанообъектами и резонансный фильтр, плоскость которого параллельна плоскости подложки. Конвертер снабжен металлической камерой с входным и выходным отверстиями на смежных стенках, установленной в корпусе с зазором, подложка с золотыми нанообъектами размещена внутри металлической камеры так, что ось входного отверстия лежит в плоскости с золотыми нанообъектами, в корпусе выполнено отверстие, совпадающее по форме и соосное с выходным отверстием камеры, в котором установлен резонансный фильтр с частотой пропускания 3,9-4,6 ТГц, при этом электромагнитный излучатель выполнен в виде магнетрона с волноводом, установленным коаксиально с входным отверстием металлической камеры так, что торец волновода находится внутри камеры, а золотые нанообъекты использованы произвольной формы, число атомов  в которых удовлетворяет неравенству: (4/3)⋅(/)≤<(4/3)⋅(/ν), где  - энергия Ферми золота, Е- энергия пика энергетического распределения плотности состояний продольных фононов в золоте, ν - рабочая частота магнетрона, a  - константа Планка.
Недостатком конвертера ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение на основе золотых нанообъектов, выбранного за прототип, является повышенная частота ТГц электромагнитного излучения (3,9-4,6 ТГц), не позволяющая применить его для визуализации предметов, скрытых под одеждой, - из-за интенсивного затухания этого излучения в воздухе, что ограничивает дальность дистанционного и скрытного обнаружения оружия, скрытого на субъекте-носителе, а также вследствие эффективного поглощения его тканями одежды, что не позволяет визуализировать оружие, скрытое под одеждой.
Технической задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что в конвертере ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение, включающем размещенные в корпусе электромагнитный излучатель в виде магнетрона с волноводом, металлическую камеру с входным и выходным отверстиями на смежных стенках, установленную в корпусе с зазором, подложку с золотыми нанообъектами, расположенную внутри металлической камеры компланарно оси входного отверстия, волновод установлен коаксиально с входным отверстием металлической камеры так, что его торец расположен внутри камеры, а в корпусе выполнено отверстие, соосное и совпадающее по форме с выходным отверстием камеры, в котором установлен резонансный фильтр, резонансный фильтр выполнен с частотой пропускания 0,1-0,5 ТГц, а золотые нанообъекты выполнены в форме тела с одним или несколькими геометрическими размерами меньше длины волны продольного фонона с энергией эмитируемого ТГц фотона.
Золотые нанообъекты выполнены в форме многогранника.
Золотые нанообъекты выполнены в форме цилиндрической трубы.
Золотые нанообъекты содержат 1-2 мас. % примесных атомов тантала и/или железа.
Магнетрон выполнен с инверторным управлением мощности.
Выполнение резонансного фильтра с частотой пропускания 0,1-0,5 ТГц позволяет выводить из металлической камеры полезное низкочастотное ТГц излучение - фотоны с частотой ≈ 0,1-0,5 ТГц, испускаемые релаксируемыми возбужденными электронами, - с максимальной эффективностью, и при этом поглощать фоновое излучение электромагнитного излучателя.
Выполнение золотых нанообъектов в форме тела с одним или несколькими геометрическими размерами меньше длины волны продольного фонона с энергией эмитируемого ТГц фотона обеспечивает в них одновременное поглощение их электроном двух продольных фононов с разностью энергий 0,41-2,07 мэВ, распространяющихся в нанообъекте встречно, и одного фотона от электромагнитного излучателя с частотой намного меньше чем 0,1-0,5 ТГц, и релаксацию возбужденного электрона путем эмиссии фотона с частотой ≈ 0,1-0,5 ТГц, таким образом позволяя конвертировать энергию вибраций ионов золота (продольных фононов) и энергию фотонов от электромагнитного излучателя в энергию низкочастотных ТГц фотонов с частотой ≈ 0,1-0,5 ТГц, которые достаточно хорошо пропускаются как воздухом, так и тканями одежды. Для этого конфигурация золотых нанообъектов такова, что они имеют один или несколько геометрических размеров меньше длины волны продольного фонона, имеющего энергию, равную энергии эмитируемого ТГц фотона, что:
hf
(а) обеспечивает возбуждение фермиевского электрона в нанообъекте за счет одновременного поглощения им трех квазичастиц: двух продольных фононов, распространяющихся в нанообъекте встречно, и одного фотона от электромагнитного излучателя; при этом разность энергий  встречно распространяющихся фононов равна 0,41-2,07 мэВ, где ƒ=0,1-0,5 ТГц, h - константа Планка;
)
предполагаемого
предполагаемого
(б благоприятствует релаксации возбужденного электрона путем эмиссии фотона с частотой ~ 0,1-0,5 ТГц, но препятствует его релаксации за счет возбуждения продольного фонона вдоль направления движения возбужденного электрона - благодаря тому, что вдольэтого направления: минимальная энергия  продольного фонона превышает энергию возбужденного электрона и, кроме того, размер нанообъекта меньше длины волны (32,3-6,5 нм, отвечающей соответственно частотам 0,1-0,5 ТГц)  продольного фонона.
m
Е
m
E
n
E
hf
n
E
hf
е1
е1
е1
e1
F
vm
vm
vm
vm
Одновременное поглощение двух фононов и одного фотона происходит при равенстве энергии ⋅Δ (где  - число квантованных энергетических зазоров ΔЕ электронов в интервале от уровня Ферми  до возбужденного электронного уровня) сумме энергии ⋅Δ= (где  - число квантованных энергетических зазоров Δ вибрационных мод, содержащихся в разнице энергий  двух встречно распространяющихся продольных фононов) и энергии фотона электромагнитного излучателя.
d
Содержание в золотых нанообъектах 1-2 мас .% примесных атомов тантала и/или железа дополнительно благоприятствует релаксации возбужденного электрона путем эмиссии фотона за счет повышения плотности состояний электронов на уровне Ферми золота путем формирования энергетических  - уровней на уровне Ферми золота.
Выполнение магнетрона с инверторным управлением его мощности позволяет плавно изменять выходную мощность конвертера ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение, что важно при его применении для медицинских исследований.
Конвертер ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид в разрезе; на фиг. 2 - то же, вид сверху. На фиг. 3 изображен золотой нанообъект в форме прямоугольного параллелепипеда, вид сверху; на фиг. 4 - то же, вид сбоку в разрезе. На фиг. 5 изображен золотой нанообъект в форме цилиндрической трубы, вид сверху; на фиг. 6 - то же, вид сбоку в разрезе. На фиг. 7 изображен золотой нанообъект в форме куба. На фиг. 8 изображен золотой нанообъект в форме кубооктаэдра.
м
Конвертер ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение состоит из корпуса 1, в котором с зазором 2 установлена металлическая камера 3 с входным 4 и выходным 5 отверстиями на смежных стенках, облучаемой подложки 6 с нанесенными золотыми нанообъектами 7, электромагнитного излучателя в виде магнетрона 8 с волноводом 9, резонансного фильтра 10 и системы питания, управления и охлаждения (на рис. не показаны). Подложка 6 размещена в камере 3 так, что ось входного отверстия 4 находится в плоскости с золотыми нанообъектами 7, при этом плоскость подложки 6 параллельна плоскости выходного отверстия 5. Волновод 9 установлен коаксиально с входным отверстием 4. Торец волновода 9 находится внутри камеры 3. В корпусе 1 выполнено отверстие 11, совпадающее по форме с выходным отверстием 5 и соосное с ним. В зазоре 2 в отверстиях 5 и 11 плотно установлен резонансный фильтр 10. На выходе резонансного фильтра 10 может быть размещена система фокусировки 12, собирающая эмитированное нанообъектами ТГц излучение и фокусирующая его на скрытом предмете 13 на обследуемом субъекте. При использовании конвертера ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение для сканирования людей (то есть при дальности ≤1 ) с целью обнаружения предметов, скрытых под одеждой, система фокусировки 12 не устанавливается, так как в этом случае требуется нефокусированный поток ТГц излучения, обеспечивающий на туловище человека пятно диаметром ≈ 40 см.
Е
m
E
n
n
F
e1
e1
vm
vm
vm
vm
vm
s
q
q
Конвертер ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение работает следующим образом. Магнетрон 8 (фиг. 1, 2) генерирует сверхвысокочастотные (СВЧ) фотоны, которые через волновод 9 поступают в полость металлической камеры 3, в которой смонтирована подложка 6 с множеством расположенных на ней золотых нанообъектов 7. Нанообъекты 7 облучаются магнетроном 8 с волноводом 9 и отраженным от стенок металлической камеры 3 потоком СВЧ фотонов. В каждом нанообъекте 7 фермиевский электрон, оказавшийся в электрическом поле двух встречно распространяющихся продольных фононов, ускоряется в результирующем поле и, будучи также облучаем магнетроном, поглощает оба фонона и СВЧ фотон. В результате фермиевский электрон возбуждается на энергетический уровень с энергией (+⋅Δ) и движется под углом γ между направлением импульса  возбужденного электрона и импульсом ⋅, являющимся разницей в импульсах двух встречно распространяющихся продольных фононов (см. фиг. 3 и 5). На фиг. 7 и 8 векторная картина аналогична, но векторы импульса ⋅ направлены вдоль нескольких направлений, поэтому во избежание усложнения чертежей векторы не показаны. На фиг. 7 векторы импульса n⋅q направлены вдоль каждой из трех осей декартовой системы координат, то есть вдоль направлений GA, GH и GE. А на фиг. 8 векторы импульса n⋅q лежат в плоскостях шестиугольников ABCDEFA, GHCIKFG, MHBLKEM и AGMDILA и направлены перпендикулярно каждой паре их противоположных сторон, кроме того, векторы импульса n⋅q лежат в плоскостях квадратов AHDKA, BGEIB и CLFMC (контуры двух последних не показаны во избежание усложнения чертежа) и направлены перпендикулярно каждой паре их противоположных сторон.
n
E
h
vm
vm
Выполненные расчеты показали, что при обеспечении эмиссии фотонов с частотами 0,1-0,5 ТГц угол γ равен соответственно ≈ 89°-84,2°, то есть возбужденный электрон движется почти перпендикулярно к направлению распространения двух встречных продольных фононов, что неизбежно приведет к его рассеянию на границе нанообъекта. При этом, вследствие значительной величины работы выхода электрона из золота (≈ 4,3 эВ), рассеиваемый электрон не покинет нанообъект, а благодаря условиям, препятствующим его релаксации с возбуждением продольного фонона (в нанообъектах размер, вдоль которого движется возбужденный электрон, меньше длины волны продольного фонона, имеющего энергию ⋅Δ+ν, равную энергии эмитируемого ТГц фотона), будет релаксировать, переходя на уровень Ферми с испусканием фотона с частотой ≈ 0,1-0,5 ТГц.
ТГц фотоны с частотой 0,1-0,5 ТГц, испущенные в направлении резонансного фильтра 10, выходят из металлической камеры 3 через резонансный фильтр 10, имеющий частоту пропускания 0,1-0,5 ТГц, а фон СВЧ фотонов поглощается резонансным фильтром 10 и не выходит наружу. В случае применения конвертера ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение для дистанционного и скрытного обследования субъекта поток ТГц фотонов, пропущенных резонансным фильтром 10, собирается системой фокусировки 12 и фокусируется на скрытом предмете 13 на обследуемом субъекте. В случае применения конвертера ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение для сканирования людей (нескрытного обследования при малых дистанциях) с целью обнаружения предметов, укрываемых под одеждой, поток ТГц фотонов, пропущенных резонансным фильтром 10, должен быть широким, поэтому он не фокусируется, и система фокусировки 12 не используется. При медицинских исследованиях применение системы фокусировки 12 определяется характером конкретной задачи.
В таблице 1 приведены примеры реализации конвертера ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение при различных сочетаниях подложки, типа золотых нанообъектов, резонансного фильтра и системы фокусировки; рабочая частота электромагнитного излучателя, магнетрона с волноводом, равна 2,45 ГГц, а СВЧ мощность магнетрона 1 кВт. Размеры всех нанообъектов меньше глубин скин-слоя δ в золоте на частоте 2,45 ГГц (δ=1,5 мкм), а также в диапазоне частот 0,1-0,5 ТГц (соответственно δ=240-110 нм), поэтому нанообъекты прозрачны как для фотонов электромагнитного излучателя, так и для эмитируемых ТГц фотонов.
Таким образом, золотые нанообъекты являются источниками ТГц излучения частот 0,1-0,5 ТГц, что позволяет расширить эксплуатационные возможности устройства за счет снижения частоты конвертера до 0,1-0,5 ТГц, при которых ТГц излучение достаточно хорошо пропускается как воздухом, так и тканями одежды. Таким образом, поставленная техническая задача решена.
Использование конвертера ТГц вибраций в ТГц электромагнитное излучение предлагаемой конструкции позволит удовлетворить острую потребность в аппаратуре для обеспечения безопасности на транспорте и в публичных местах, а также для медицинских исследований: при визуализации раковой опухоли в онкологических клиниках и для наблюдения состояния ран и ожогов под бинтами, не снимая последних, - в ожоговых центрах, а также для неконтактного изучения дерматологических патологий, не допускающих контактную акустическую диагностику, например ультразвуковое исследование.