تراهرتز چیست؟ — به زبان ساده

در آموزش‌های پیشین مجله فرادرس، درباره امواج رادیویی و ریزموج‌ها مطالبی را بیان کردیم. در این آموزش، با امواج تراهرتز آشنا می‌شویم.

طیف تراهرتز چیست؟

موج «تراهرتز» (Terahertz) یا به اختصار THz به طور کلی به عنوان ناحیه طیف الکترومغناطیسی در محدوده 100 گیگاهرتز (3 میلی‌متر) تا 10 تراهرتز (۳۰ میکرومتر) تعریف می‌شود که بین فرکانس‌های میلی‌متر و مادون قرمز است. باند THz با نام‌های مختلفی از جمله موج زیرمیلی‌متر (Sub-millimeter)، «مادون قرمز دور» (Far Infrared) و «میلی‌متر نزدیک» (Near-millimeters) نیز خوانده می‌شود.

فیلم آموزش امواج و ارتعاشات در فرادرس

کلیک کنید

در یک تراهرتز سیگنال تابشی دارای مشخصات زیر است:

• طول موج: 300 میکرومتر در فضای آزاد
• دوره تناوب: 1 پیکوثانیه
• انرژی فوتون: 4٫14 میلی‌ولت

علاوه بر این، دمای آن برابر با hf/k_B = 48 K است که در آن، h ثابت پلانک (^34-10 × ۶٫۶۲۶۰۷۰۰۴ ژول در ثانیه)، f فرکانس برحسب هرتز و k_B ثابت بولتزمن (^23-10 × 1٫380649 ژول بر کلوین) است.

باند THz در طیف الکترومغناطیسی در شکل 1 نشان داده شده است.

این بخش از طیف الکترومغناطیسی در مقایسه با ناحیه‌های همسایه (باند مایکروویو و نوری) کمتر مورد بررسی قرار گرفته است.

به همین دلیل است که اصطلاح «شکاف تراهرتز» (THz Gap) برای توضیح مراحل رشد این باند در مقایسه با نواحی طیفی همسایه آن که به خوبی توسعه یافته‌اند، استفاده می‌شود. این امر موجب شده محققان در زمینه‌های مختلف (مانند فیزیک، علوم مواد، الکترونیک، اپتیک و شیمی) جنبه‌های مختلف کشف نشده یا کمتر کاوش شده امواج تراهرتز را بررسی کنند.

ویژگی‌های امواج تراهرتز

گرچه گرایش به ناحیه THz به دهه 1920 برمی‌گردد، اما مطالعات گسترده فقط در سه دهه گذشته درباره این ناحیه انجام شده است. انگیزه اصلی برای این کار، ویژگی‌های استثنایی این موج و کاربردهای گسترده در محدوده فرکانس THz است.

فیلم آموزش آنتن ۱ در فرادرس

کلیک کنید

امواج تراهرتز دارای ویژگی‌های میانی دو باندی هستند که در بین آن‌ها قرار گرفته‌اند. این خصوصیات را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:

• نفوذ: طول موج تابش تراهرتز بیشتر از طول موج مادون قرمز است. بنابراین، امواج تراهرتز در مقایسه با مادون قرمز (در محدوده میکرومتر) پراکندگی کمتر و عمق نفوذ بهتری دارند (در محدوده سانتی‌متر). بنابراین، مواد خشک و غیرفلزی در این محدوده شفاف‌اند، اما در طیف مرئی مات هستند.
• وضوح: امواج تراهرتز در مقایسه با امواج مایکروویو طول موج کوتاه‌تری دارند. این ویژگی وضوح تصویربرداری فضایی بهتری را ارائه می‌دهد.
• ایمنی: انرژی فوتون در باند تراهرتز بسیار کمتر از پرتو ایکس است. بنابراین، تابش THz غیریونیزه است.
• اثر انگشت طیفی: حالت‌های بین‌ارتعاشی و درون‌ارتعاشی بسیاری از مولکول‌ها در محدوده تراهرترز قرار دارد.

چالش‌های گسترش باند تراهرتز چیست؟

اگرچه باند THz چندین ویژگی جذاب دارد، اما چالش‌های خاصی برای فناوری‌های تراهرتز وجود دارد. دلیل اصلی عدم توسعه زمینه تراهرتز در مقایسه با باندهای همسایه عدم وجود منابع و آشکارسازهای کارآمد، منسجم و فشرده است.

این خصوصیات را می‌توان در منابع متداول فرکانس مایکروویو مانند ترانزیستورها یا آنتن‌های RF/MW و دستگاه‌هایی یافت که در محدوده مرئی و مادون قرمز کار می‌کنند (مانند دیودهای لیزر نیمه‌هادی). با این حال، اتخاذ این فناوری‌ها برای بهره‌برداری در ناحیه THz بدون کاهش قابل توجه توان و کارایی امکان‌پذیر نیست.

در ابتدای دامنه فرکانس تراهرتز، به طور کلی از ادوات الکترونیکی حالت جامد استفاده می‌شود. با این حال، چنین دستگاه‌هایی به دلیل اثرات سلفی-مقاومتی و زمان انتقال طولانی دارای «افت تدریجی» یا «رول آف» $$1/f^2$$ خواهند بود. از طرف دیگر، ادوات نوری مانند لیزرهای دیودی به دلیل کمبود مواد با انرژی «نوار ممنوعه» (Bandgap) کافی، در محدوده تراهرتز عملکرد خوبی ندارند.

چالش دیگر در باند THz تلفات زیاد آن است. امواج تراهرتز در شرایط جوی و محیط مرطوب جذب بالایی دارند. تضعیف جوی در طیف الکترومغناطیسی در شکل 2 نشان داده شده است.

بدیهی است که تضعیف سیگنال در محدوده THz بسیار بیشتر از باند مایکروویو و مادون قرمز است. این تا حدی به این دلیل است که مولکول‌های آب در این محدوده به تشدید می‌رسند.

ویژگی‌های جوی نامطلوب امواج THz آن‌ها را به یک ناحیه با فرکانس کاری مناسب برای دو مورد زیر تبدیل می‌کند:

• هوافضا: در فضا، محیط تقریباً خلأ است، بنابراین جذب سیگنال و تضعیف آن به دلیل قطرات آب مشکلی ایجاد نمی‌کند. همچنین، امضای طیفی گرد و غبار بین ستاره‌ای در ناحیه تراهرتز واقع شده است. بنابراین، فناوری تراهرتز به طور گسترده‌ای در نجوم رادیویی مانند پرتاب رصدخانه فضایی هرشل توسط آژانس فضایی اروپا مورد استفاده قرار گرفته است.
• برد کوتاه: برای کاربردهای کوتاه‌برد‌، تضعیف جوی بسیار ناچیز است، به ویژه فرکانس‌های دارای جذب زیاد. این امر، حذف/بازشناسی اثر این خطوط باریک را آسان‌تر می‌کند. از این رو، فناوری تراهرتز ابزاری بسیار کارآمد برای تحقیقات بنیادی در رشته‌های مختلف مانند فیزیک و شیمی است. همچنین، تراهرتز یک گزینه جذاب برای ارتباطات بی‌سیم کوتاه‌برد با سرعت داده بالا است.

کاربردهای موج تراهرتز چیست؟

تابش THz را می‌توان در بسیاری از کاربردها از جمله تصویربرداری تراهرتز، طیف‌سنجی و ارتباطات بی‌سیم استفاده کرد.

فیلم آموزش HFSS برای شبیه سازی میدان ها و امواج در فرادرس

کلیک کنید

تصویربرداری زیست‌پزشکی یکی از زیرمجموعه‌های تصویربرداری THz است. امواج THz می‌توانند تا چند صد میکرومتر در بافت‌های انسان نفوذ کنند. بنابراین، می‌توان از تصویربرداری پزشکی تراهرتز برای تشخیص سطح بدن مانند تشخیص سرطان پوست، دهان و پستان و تصویربرداری از دندان استفاده کرد. همچنین، سیستم‌های THz بازار بالقوه‌ای برای کاربردهای امنیتی، تشخیص مواد منفجره جامد و غربال‌گری نامه دارند. نکته آخر اینکه تصویربرداری THz یک روش مناسب برای بازرسی‌های بسته‌بندی نیمه‌هادی است.

طیف‌سنجی تراهرتز یک تکنیک بسیار قدرتمند برای توصیف خصوصیات مواد و درک امضای آن‌ها در این باند است. طیف‌سنجی THz درک ویژگی‌های جذب در بسیاری از نمونه‌های تک‌بلوری، ریزبلورها و پودر مولکول‌های آلی را افزایش داده است.

شکل 3 نمونه‌ای از نتیجه اندازه‌گیری را برای شناسایی حالت‌های ارتعاشی مولکول‌های «مالتوز» (Maltose) نشان می‌دهد.

طیف‌سنجی THz در علوم بیوشیمیایی مانند تجزیه و تحلیل امضاهای DNA و ساختارهای پروتئینی کاربرد دارد. کنترل خطی فرایندهای تولید یکی دیگر از کاربردهای بالقوه طیف‌سنجی تراهرتز است که می‌تواند اندازه‌گیری‌های بدون تماس و در زمان واقعی را مهیا کند. به دلیل جذب زیاد آب در فرکانس‌های تراهرتز، می‌توان طیف‌سنجی THz را به طور مثبت دستکاری کرد تا مواد هیدراته را از مواد خشک شده تفکیک کرد. به عنوان مثال، در صنعت کاغذسازی، از طیف‌سنجی THz برای نظارت بر ضخامت و رطوبت کاغذها استفاده شده است.

در برخی کاربردها، مانند آزمایش غیرمخرب، از هر دو تصویربرداری و طیف‌سنجی تراهرتز استفاده می‌شود. به عنوان مثال، تصویربرداری و طیف‌سنجی تراهرتز در تحقیقات تاریخ هنر به تصویربرداری از آثار باستانی، کشف ضخامت لایه‌های مختلف آثار هنری و نشان دادن انواع مواد کمک می‌کند.

شکل 4 یک تصویر قابل مشاهده (سمت چپ) و تصویر تراهرتز از نقاشی را بر اساس طیف یکپارچه بین 0٫5 تا 1 تراهرتز (راست) نشان می‌دهد.

تصویربرداری تراهرتز اطلاعات مربوط به زیرلایه‌های نقاشی را با درجه پیشگامانه جزئیات مربوط به ترتیب ده‌ها میکرون فراهم می‌کند.

علاوه بر این، تصویربرداری تراهرتز و طیف‌سنجی دو روش قوی کمی و کیفی برای بررسی اشکال جامد دوزهای مختلف دارو، پوشش‌های قرص و مواد دارویی فعال هستند. به عنوان مثال، شکل 5 تغییر ضخامت لایه پوشش هشت قرص را با همان زمان در فرایند پوشش در ناحیه THz نشان می‌دهد.

پتانسیل‌های باند تراهرتز

در اواخر قرن بیستم و دهه اول قرن بیست و یکم، هنگامی که تعداد زیادی پژوهش آزمایشگاهی THz در حال انجام بود، محققان بیشتر روی کاربردهای مختلف بالقوه تراهرتز متمرکز شدند و نتایج بسیار امیدوارکننده‌ای نیز حاصل شده است. در واقع، این نتایج تجربی جالب توجه انگیزه و محرک بسیاری از محققان برای کاوش در حوزه THz و پژوهش آن از جنبه‌های مختلف بود.

با توجه به پیشرفت مداوم در زمینه پژوهش THz در سال‌های اخیر، سیستم‌ها و کاربردهای THz در برخی از کاربردهای تجاری جایگاه خود را پیدا خواهند کرد. با این حال، برای اینکه امواج تراهرتز بتوانند در سناریوهای واقعی به رقابت و غلبه بر سایر فناوری‌ها بپردازند، باید مسائل مختلفی را حل کرد و یا بهبود بخشید. به عنوان مثال، منابع THz با توان بالا و جمع و جور مورد نیاز است، سیستم‌های اندازه‌گیری THz باید کوچک شوند، روش‌هایی برای اسکن پرتو THz سریع‌تر مورد نیاز است و سیستم‌های THz باید هزینه کمتری داشته باشند.

یکی دیگر از زمینه‌های پژوهشی در حال پیشرفت، ارتباطات بی‌سیم THz است. این مورد به طور ویژه مورد تقاضا است، زیرا امکان ارتباطات بی‌سیم پرسرعت بیش از 5G را فراهم می‌کند. بنابراین، مطالعات مختلف برای رسیدن و دستیابی به پتانسیل‌های کامل باند THz ضروری است.