ТЕРАГЕРЦ-ИНФРАКРАСНЫЙ КОНВЕРТЕР ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
TERAHERTZ-INFRARED CONVERTER FOR VISUALIZATION OF SOURCES OF TERAHERTZ RADIATION

Изобретение относится к области оптической техники, предназначенной для визуализации источников терагерцевого (ТГц) излучения, и может быть использовано при создании приборов для регистрации и анализа ТГц излучения, ранней диагностики рака, а также для обнаружения предметов, скрытых под одеждой граждан, в аэропортах, на вокзалах, стадионах и в других публичных местах.
Известен болометрический терагерц-инфракрасный конвертер для формирования изображений источников ТГц излучения [S.A. Kuznetsov, A.G. Paulish, A.V. Gelfand, P.A. Lazorskiy, and V.N. Fedorinin, "Bolometric THz-to-IR converter for terahertz imaging," Applied Physics Letters, vol. 99, 023501 (2011)], состоящий из поглотителя ТГц излучения, включающего ультратонкую (толщиной не менее чем в 50 раз меньше длины волны ТГц излучения) систему резонаторов из разрезных колец на диэлектрической подложке и металлический слой, примыкающий к обратной стороне диэлектрической подложки, и эмиттера из материала с высокой излучательной способностью в инфракрасном (ИК) диапазоне, примыкающего к металлическому слою. При резонансном поглощении ТГц излучения определенным участком поглотителя (резонатором на базе разрезного кольца) происходит выделение теплоты в участке металлического слоя, расположенного под соответствующим разрезным кольцом, что вызывает эмиссию ИК-излучения с участка эмиттера, примыкающего к участку металлического слоя, расположенного под данным разрезным кольцом. Эмитированное ИК-излучение далее визуализируется ИК камерой.
Недостатком известного терагерц-инфракрасного конвертера является сложность конструкции, обусловленная тем, что топологический рисунок частотно-избирательной поверхности поглотителя состоит из множества разрезных кольцевых резонаторов размером ≈ 100 мкм × 100 мкм. Кроме того, из-за большого отношения (~10) размера кольцевого резонатора к зазору между резонаторами происходит перекрытие температурных полей под соседними разрезными кольцевыми резонаторами в металлическом слое, который нагревает эмиттер. Из-за этого изображение размывается и ухудшается пространственное разрешение конвертера. Также, за счет того, что функции поглотителя, нагревателя и эмиттера разделены между тремя слоями, снижается эффективность преобразования из-за потерь энергии в каждом слое.
Известно также устройство для создания изображения в ТГц лучах ("Terahertz imaging device with improved thermal converter") [US №20120032082, G01J 5/10, G01J 5/08, опубл. в 2012 г.], в котором терагерц-инфракрасный конвертер состоит из основания с множеством одинаковых преобразователей ТГц излучения в ИК-излучение, организованных в виде строк и столбцов математической матрицы. Материалом для преобразователей служит вода, стекло, углеродные нанотрубки или материал, содержащий их. Размер преобразователей от 50 до 500 мкм.
Недостатками известного терагерц-инфракрасного конвертера в устройстве для создания изображения в ТГц лучах являются сложность конструкции, требующая геометрически правильного выстраивания преобразователей в виде строк и столбцов математической матрицы, а также низкая чувствительность вследствие необходимости нагревать ТГц излучением крупные (50-500 мкм) преобразователи, размер которых обусловливает и низкое пространственное разрешение.
a
а
1/3
За прототип выбран терагерц-инфракрасный конвертер [Патент Кыргызской Республики №1684 (2014). Извещение опубликовано 31.10.2014 в Бюллетене «Интеллектуалдык менчик - Интеллектуальная собственность» №10 (187), С. 7-8, 2014. ISSN 1694-6871, г. Бишкек, 2014. http://patent.kg/doc/im/2014/10.pdf], состоящий из основания с преобразователями ТГц излучения в ИК-излучение, в котором основание выполнено в виде матрицы, прозрачной в ТГц и ИК диапазонах частот, а преобразователи равномерно распределены в ее объеме и выполнены в виде наночастиц из медно-никелевого сплава с содержанием никеля 40-70 мас.%. Диаметр наночастиц D определяется по формуле D≈1,09⋅⋅[(W/ΔE)+1], где  - период решетки медно-никелевого сплава (нм); W - ширина зоны d-электронов медно-никелевого сплава (мэВ), ΔЕ - энергетический зазор между уровнями электронов в d-зоне (мэВ).
Недостатком выбранного за прототип терагерц-инфракрасного конвертера является невысокая эффективность преобразования энергии ТГц излучения в ИК-излучение, обусловленная двумя причинами: во-первых, поглощение ТГц фотона фермиевским электроном происходит не прямо, а при посредничестве третьей квазичастицы - продольного фонона; и, во-вторых, преобразователи, используемые в конвертере, - наночастицы медно-никелевого сплава, поверхность которых окисляется, что снижает пропускание ТГц излучения в объем наночастицы золота и пропускание ИК-излучения из него. В результате чувствительность терагерц-инфракрасного конвертера снижается.
Техническая задача - повышение эффективности преобразования энергии ТГц излучения в ИК-излучение и повышение чувствительности терагерц-инфракрасного конвертера.
Поставленная задача решается за счет того, что в терагерц-инфракрасном конвертере, состоящем из основания с преобразователями ТГц излучения в ИК-излучение, основание выполнено в виде матрицы, прозрачной в ТГц и ИК диапазонах частот, а преобразователи равномерно распределены в ее объеме и выполнены в виде наночастиц из золота, диаметр D которых определяется по формуле
Au
F
Au
F
-22
3
где m - масса атома золота, ρ - плотность золота, E - энергия Ферми золота, hν - энергия ТГц фотонов, регистрируемых терагерц-инфракрасным конвертером. Например, если энергия ТГц фотонов равна hν=15,6 мэВ, то при параметрах золота m=3,27⋅10 г, ρ=19,3 г/см, E=5,53 эВ, диаметр наночастиц D≈2,5 нм.
Выполнение преобразователей в виде наночастиц из золота с диаметром, определяемым по формуле (1), позволяет повысить эффективность преобразования ТГц излучения в ИК-излучение за счет того, что в них фотоны ТГц излучения поглощаются непосредственно, без участия продольного фонона. При этом выполнение закона сохранения энергии обеспечивается выбором диаметра наночастицы золота в соответствии с формулой (1), а выполнение закона сохранения импульса - благодаря неопределенности в импульсе фермиевского электрона, обусловленной соотношением неопределенностей Гейзенберга.
Наибольшая эффективность преобразования ТГц излучения в ИК-излучение имеет место при энергиях ТГц фотонов hν=13,7-17,5 мэВ (частоты ν=3,3-4,2 ТГц), соответствующих энергиям наиболее распространенных в наночастицах продольных фононов, - они принадлежат интервалу полной ширины на половине высоты максимума энергетического распределения продольных фононов в золоте. Для этого в соответствии с формулой (1) диаметры наночастиц золота должны быть равны 2,4-2,6 нм.
Эффективность повысится также потому, что вместо медно-никелевого сплава используется золото, которое не окисляется, и поэтому не покрывается пленкой окисла, ухудшающего пропускание ТГц излучения в объем наночастицы золота и пропускание ИК-излучения из него.
Повышение эффективности преобразования ТГц излучения в ИК-излучение повысит и чувствительность терагерц-инфракрасного конвертера, так как для наночастиц золота будет требоваться меньше ТГц мощности для их нагрева до температурного порога чувствительности ИК камеры, визуализирующей двухмерное изображение, созданное терагерц-инфракрасным конвертером.
Терагерц-инфракрасный конвертер иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид с основанием в виде матрицы в разрезе. Терагерц-инфракрасный конвертер (фиг. 1) имеет основание в виде матрицы, состоящей из слоя 1, прозрачного в ТГц и ИК- диапазонах частот, например, из фторопласта-4 или кремния, с равномерно размещенными в нем преобразователями в виде наночастиц 2 из золота.
а
ф
к
ф
к
В Таблице 1 представлены параметры терагерц-инфракрасного конвертера при различных значениях степени черноты  наночастиц золота: мощности Q и Q, требуемые для нагрева наночастицы золота соответственно в матрице из фторопласта-4 и кремния, от температуры 300 К до температуры, при которой она будет зарегистрирована ИК камерой; а также концентрации N и N наночастиц золота диаметром 2,5 нм соответственно в матрице из фторопласта-4 и кремния.
а
а
ф
к
На фиг. 2 представлены радиальные распределения температуры нагрева наночастицы золота диаметром 2,5 нм, находящейся в матрице из фторопласта-4 и кремния, относительно комнатной температуры 300 К, и соответствуют пяти значениям степени черноты  наночастиц: 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1 (степень черноты  монотонно увеличивается сверху вниз: верхний график соответствует степени черноты 0,1, нижний график - степени черноты 1). Графики соответствуют мощностям, которые должны выделиться в наночастицах, чтобы эмитируемое ими ИК-излучение превысило температурный порог чувствительности ИК камеры (для определенности, в расчетах он был выбран равным 14 мК). Из графиков на фиг. 2 следует, что при расстоянии между наночастицами ≥20 нм температура нагревания фторопласта-4 относительно 300 K настолько мала, что позволяет избежать превышения порога температурной чувствительности ИК камеры (14 мК). Аналогичное справедливо для матрицы кремния при расстоянии между наночастицами ≥5 нм. Расстояния между наночастицами, соответствующие концентрациям наночастиц золота N и N в Таблице 1,  намного превышают минимальные расстояния 20 нм для матрицы из фторопласта-4 и 5 нм для матрицы из кремния. Поэтому при этих концентрациях наночастиц золота размывание изображения в терагерц-инфракрасных конвертерах будет отсутствовать и соответственно пространственное разрешение конвертеров не будет снижаться.
ф
к
На фиг. 3 представлены кривые нагревания и охлаждения наночастиц золота диаметром 2,5 нм в матрицах из фторопласта-4 и кремния во времени - при выделении в них теплоты с мощностями Q и Q, требуемыми для нагрева до температурного порога чувствительности ИК камеры, а также после прекращения выделения теплоты. Из графиков видно, что времена нагревания и охлаждения наночастиц золота (≈82,5 не и 6,75 пс соответственно в матрицах из фторопласта-4 и кремния) столь малы по сравнению с 40 мс, минимальным временем, необходимым для съемки одного кадра при киносъемке, что рассчитанные терагерц-инфракрасные конвертеры способны работать в режиме реального времени.
F
F
Терагерц-инфракрасный конвертер для визуализации источников терагерцевого излучения (фиг. 1) работает следующим образом. Фотон ТГц излучения с энергией hν, прошедший через основание 1 в виде матрицы, прозрачной в терагерцевом и инфракрасном диапазонах частот, до наночастицы золота 2, поглощается в наночастице 2 и возбуждает фермиевский электрон наночастицы 2 с энергетического уровня E на уровень E+hν. Далее возбужденный электрон, рассеиваясь на границе наночастицы 2, возбуждает в ней продольную вибрационную моду с энергией, равной hν, то есть релаксация возбужденного электрона в наночастице 2 происходит за счет выделения теплоты. Эффективность превращения в теплоту максимальна у тех ТГц фотонов, чья энергия равна энергии наиболее распространенных в золоте продольных фононов. Последние имеют энергию ≈13,7-17,5 мэВ (частоты ν≈3,3-4,2 ТГц). Таким образом, наночастица 2 нагревается. Двухмерная картина, созданная множеством нагретых наночастиц 2, далее визуализируется ИК камерой, устанавливаемой за терагерц-инфракраенцым конвертером.
В Таблице 2 приведены примеры реализации терагерц-инфракрасного конвертера для визуализации источников терагерцевого излучения.
Использование терагерц-инфракрасного конвертера предлагаемой конструкции в оптической технике для визуализации предметов, скрытых под одеждой, позволит повысить чувствительность аппаратуры, используемой в борьбе с терроризмом на транспорте и в общественных местах. Кроме того, заявляемый терагерц-инфракрасный конвертер для визуализации источников терагерцевого излучения может найти применение в аппаратуре для онкологических исследований.