テラヘルツバンド入門
テラヘルツバンド、その特性、および有用性が見出されるアプリケーションについて学びます。
「THzギャップ」という用語を聞いたことがありますが、それが何を意味するのかわからない場合は、この記事が役に立ちます。
テラヘルツスペクトル
テラヘルツ（THz）放射は、一般に、ミリメートルと赤外線の周波数の間である100 GHz（3 mm）から10 THz（30μm）の範囲の電磁スペクトルの領域として定義されます。 THz帯域は、サブミリメートル、遠赤外線、ニアミリメートル波など、いくつかの名前で呼ばれています。
1 THzでは、放射信号には次の特性があります。
- 波長： 自由空間で300μm
- 期間： 1 ps、
- 光子エネルギー： 4.14 meV
さらに、hf / k B =48 Kの温度。ここで、hはプランク定数（6.62607004×10 -34 ）です。 J.s）、fは頻度、k B はボルツマン定数（1.380649×10 -23 J / K）。
電磁スペクトルのTHz帯域を図1に示します。
図1。 電磁スペクトルにおけるTHz帯域の位置を示す概略図
電磁スペクトルのこの部分は、隣接する領域、つまりマイクロ波および光学帯域と比較した場合、最も調査されていない領域です。
これが、「THzギャップ」という用語が、十分に発達した隣接するスペクトル領域と比較して、このバンドの初期段階を説明するために使用される理由です。これにより、さまざまな分野（物理学、材料科学、電子工学、光学、化学など）の研究者が、テラヘルツ波のさまざまな未踏または未踏の側面を調査するようになりました。
テラヘルツ波の特性
THz領域への関心は1920年代にさかのぼりますが、過去30年以内にのみこの領域に広範な研究が捧げられてきました。この主な動機は、THz周波数範囲での卓越した波動特性と幅広い可能性のあるアプリケーションです。
テラヘルツ波は、間に挟まれた2つのバンドの中間特性を持っています。
これらのプロパティは次のように要約できます。
- 浸透： テラヘルツ放射の波長は、赤外線の波長よりも長くなっています。したがって、THz波は、赤外線波（μmの範囲）と比較して、散乱が少なく、浸透深度（cmの範囲）が優れています。したがって、乾燥した非金属材料はこの範囲では透明ですが、可視スペクトルでは不透明です。
- 解決策： テラヘルツ波は、マイクロ波に比べて波長が短くなっています。これにより、空間イメージングの解像度が向上します。
- 安全性： THz帯の光子エネルギーは、X線よりもはるかに低くなっています。したがって、THz放射は非電離です。
- スペクトル指紋： 多くの分子の振動間および振動内モードはTHz範囲にあります。
テラヘルツ帯開発の課題
THz帯域にはいくつかの魅力的な特性がありますが、THz技術に固有のいくつかの課題があります。隣接する帯域と比較してTHzフィールドが開発されていない主な理由は、効率的でコヒーレントでコンパクトなTHzソースと検出器がないことです。
ソースのこれらの特性は、トランジスタやRF / MWアンテナなどの一般的なマイクロ波周波数ソース、および半導体レーザーダイオードなどの可視および赤外線範囲で動作するデバイスに見られます。ただし、電力と効率を大幅に低下させることなく、THz領域での動作にこれらのテクノロジーを採用することはできません。
THz周波数範囲の下限では、一般にソリッドステート電子デバイスが使用されます。ただし、このようなデバイスのロールオフは1 / f 2 です。 反応抵抗効果と長い通過時間のため。一方、ダイオードレーザーなどの光学デバイスは、バンドギャップエネルギーが十分に小さい材料が不足しているため、THz範囲の限界では十分に機能しません。
THz帯域のもう1つの課題は、高損失です。テラヘルツ波は、大気や湿気の多い環境で高い吸収力を持っています。電磁スペクトル全体の大気減衰を図2に示します。
図2。 さまざまな大気状況に対する海面での減衰：雨=4 mm / h;霧=100mの視程; STD =7.5 g / m 3 水蒸気; 2×STD =15 g / m 3 水蒸気。 IEEEXploreを介したM.C.Kempからの画像
THz範囲での信号劣化は、マイクロ波や赤外線帯域よりもかなり大きいことは明らかです。これは、水分子がこの範囲で共鳴するためです。
テラヘルツ波の大気特性が悪いため、次の2つの場合に適した動作周波数領域になります。
- 航空宇宙： 宇宙では、周囲が真空に近いため、水滴による信号の吸収と減衰は問題になりません。また、星間塵のスペクトルの特徴は、THz領域にあります。そのため、THz技術は、欧州宇宙機関によるハーシェル宇宙天文台の立ち上げなど、電波天文学で広く使用されています。
- 短距離： 短距離アプリケーションの場合、特に吸収の高い周波数では、大気の減衰はごくわずかです。これにより、これらの細い線の影響の除去/認識が容易になります。したがって、THz技術は、物理学や化学などのさまざまな分野の基本的な調査のための非常に機知に富んだツールです。また、データレートの高い短距離無線通信にも魅力的なオプションです。
テラヘルツ放射の応用
THz放射は、テラヘルツイメージング、分光法、無線通信など、多くの潜在的なアプリケーションで使用できます。
生物医学画像は、THz画像のサブカテゴリの1つです。テラヘルツ波は、人間の組織に数百マイクロメートルまで浸透する可能性があります。そのため、THz医用画像は、皮膚、口、乳がんの検出などの体表面診断、および歯科画像に適用できます。また、THzシステムには、セキュリティアプリケーション、固体爆発物検出、およびメールスクリーニングの潜在的な市場があります。最後になりましたが、THzイメージングは、半導体パッケージの検査に便利な方法です。
THz分光法は、材料特性を特徴づけ、この帯域での特性を理解するための非常に強力な手法です。 THz分光法により、有機分子の多くの単結晶、微結晶、および粉末サンプルの吸収特性の理解が深まりました。
図3は、マルトース分子の振動モードを特定するための測定結果のサンプルを示しています。
図3。 THz時間領域分光システムで測定されたマルトースの振動スペクトル。上のグラフは、マルトースサンプルなしで測定されたTHz信号を示しています。下のグラフの矢印は、マルトース分子の振動数を示しています。挿入図はマルトースの分子構造を示しています。 Y. C. Shen etalからの Applied Physics Letters による画像 。
THz分光法は、DNAシグネチャーやタンパク質構造の分析などの生化学科学に応用されています。製造プロセスのインライン制御は、非接触でリアルタイムの測定を提供できるTHz分光法のもう1つの潜在的なアプリケーションです。 THz分光法は、THz周波数での吸水率が高いため、水和物質と乾燥物質を区別するために積極的に操作できます。たとえば、製紙業界では、THz分光法を使用して、メーカーが紙の厚さと含水率を監視しています。
非破壊検査などの一部のアプリケーションでは、THzイメージングと分光法の両方が採用されています。たとえば、美術史の調査では、THzイメージングと分光法は、古代遺物のイメージング、アートワークのさまざまな層の厚さの明らかに、材料の種類の表示に役立ちます。
図4は、プレギエラのマドンナの可視写真（左）と、0.5〜1 THzの積分スペクトルに基づく絵画のTHz画像（右）を示しています。
図4。 （a）プレギエラのマドンナの可視写真（b）0.5〜1THzの積分スペクトルでのプレギエラのマドンナのTHz画像。 Scientific Reports によるJ.Dong他の画像
THzイメージングは、数十ミクロンのオーダーの画期的な詳細度で、絵画の下層に関する情報を提供します。
さらに、THzイメージングと分光法は、医薬品の固形剤形、錠剤コーティング、および医薬品有効成分を検査するための2つの強力な定量的および定性的な非侵襲的方法です。たとえば、図5は、THz領域のコーティングプロセスで同じコーティング時間で使用された8錠のコーティング層の厚さのタブレット間変動を示しています。
図5。 コーティング時間に対する個々の錠剤の平均コーティング厚さ。挿入図は、120分の同じコーティング時間での8つの錠剤のコーティング厚さマップ（μm）を示しています。コーティングの厚さのタブレット間の大きな変動は明らかです。 International Journal of Pharmaceutics 経由のY.C.Shenからの画像
テラヘルツバンドの可能性
20世紀の終わりから21世紀の最初の10年間に、大量のTHzラボ実験が行われていたとき、研究者は主にさまざまな潜在的なTHzアプリケーションに焦点を合わせ、非常に有望な結果が得られました。実際、これらの魅力的な実験結果は、多くの研究者がTHz分野を掘り下げ、さまざまな側面から調査するための大きな動機と原動力でした。
近年のTHz研究分野の継続的な進歩により、THzシステムおよびアプリケーションは、一部の商用アプリケーションでその地位を確立しています。ただし、テラヘルツ波が実際のシナリオで他の技術と競合して克服できるようにするには、さまざまな問題に取り組み、改善する必要があります。たとえば、高出力でコンパクトなTHz光源が必要であり、THz測定システムを小型化し、THzビームスキャンを高速化する方法が必要であり、THzシステムのコストを低く抑える必要があります。
もう1つの注目すべき研究分野はTHz無線通信です。これは、5Gを超える高速無線通信を可能にするため、特に需要があります。したがって、テラヘルツ波帯の可能性を最大限に引き出して成熟させるために、さまざまな研究が求められています。
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