بخش اول: مقدمه ای بر تکنولوژی تراهرتز

     شمع در حدود ۱۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح ابداع و در پی آن روشـــنایی گازی (۱۷۷۲) و لامپ‌های نئون (۱۸۹۵) اختراع گردیدند [۱]. در ادامه تابش رادیــویی، اشعه ایکس، اشعه فرابنفش و رادار نیز به ترتیب در اواخر قرن نوزدهم و آغاز قرن بیستم میلادی به زندگی بشر وارد شدند. در حال حاضر از بین تمامی نواحی فرکانسی موجود در طیف الکترومغناطیسی، فقط ناحیه فرکانسی امواج میلی‌متری و تراهرتز تا حدودی ناشناخته باقی مانده است. تابش تراهرتز (THz) یا اشعه-T، عموماً به امواج الکترومغناطیسی با فرکانس‌های بین ۱/۰ تا ۱۰ تراهرتز (طول‌موج‌های ۳۰ تا ۳۰۰۰ میکرومتر و انرژی ۴/۰ تا ۴۰ میلی الکترون-ولت) اشاره دارد [۲]. جایگاه امواج تراهرتز بین دو بازه‌ی تحقیقاتی متداولِ الکترونیک و فوتونیک یا به عبارتی بین محدوده‌های ماکرویو و مادون‌قرمز در طیف الکترومغناطیسی قرار گرفته است. مکان نسبی این طیف در شکل ‏۱٫۱ نشان داده شده است. ازآنجاکه بازه طول‌موجی تراهرتز، از طول‌موج‌های ۰۳/۰ تا ۳ میلی‌متر را پوشش می‌دهد، گاهی اوقات از آن با نام امواج زیر میلی‌متری نیز یاد می‌شود [۱].

.

شکل ‏۱٫۱ طیف الکترومغناطیسی. ناحیه تراهرتز تعریف‌شده از ۱/۰ تا ۱۰ تراهرتز (۳۰ تا ۳۰۰۰ میکرومتر).

.

علی‌رغم نوظهور بودن واژه‌ی “تراهرتز”، اکثریت صاحب‌نظران این حوزه بر این باورند که اولین تحقیقات در حوزه‌ی تراهرتز با انتشار مقاله‌ای در سال ۱۹۷۴ توسط فلمینگ (J. W. Fleming) آغازشده است. بااین‌وجود همان‌طور که گفته شد، طیف تراهرتز به علت (الف) انتقالات جوی ضعیف، (ب) قرارگیری بین حوزه‌های نوری و ماکرویو و (ج) مهم‌تر از همه کمبود مواد مناسب برای تولید و انتقال امواج، تنها بخش باقی‌مانده‌ از طیف الکترومغناطیسی است که هنوز به‌طور کامل مشخصه یابی نشده است [۱]. ازاین‌روست که گاهی از این طیف با نام “گاف تراهرتز” نیز یاد می‌شود. امروزه تحقیقات در حوزه‌ی الکترونیک فرکانس بالا در حال جابه‌جایی به سمت طیف تراهرتز می‌باشد. هدف از کاوش و تحقیق بر روی این طیف را می‌توان استفاده از ویژگی‌های جذاب و منحصربه‌فرد این امواج در کاربردهای گوناگون و همچنین مزایای فنی بسیار زیادِ آن (به‌طور مثال، پهنای باند عریض‌تر، رزولوشن فضایی بهبودیافته، حجم کمتر) برشمرد. یکی از ویژگی‌های بسیار جالب این باند، ویژگیِ نفوذپذیریِ انرژیِ آن در مواد غیرفلزی است که آن را به نامزدی بسیار قدرتمند برای کاربردهایی همچون امنیت، تصویربرداری پزشکی، مخابرات، مشخصه یابی شیمیایی/ مواد و ساخت تبدیل کرده است (در بخش ‏۱‌.۳‌ مرور جامعی بر ویژگی‌های امواج تراهرتز خواهیم داشت).

     در حال حاضر فناوری موردنیاز برای تولید و دست‌کاری امواج تراهرتز در مقایسه با سایر نواحی همسایه‌ی این طیف در مراحل ابتدایی خود قرار دارد. ازآنجاکه ناحیه تراهرتز بین دو ناحیه تکنولوژیکی معروف، یعنی رژیم نوری (فوتونیک) و ماکرویو (رادیویی – الکترونیک) قرار می‌گیرد، برای استفاده از آن می‌توان از تئوری حاکم بر هردوی نواحی همسایه بهره جست، هرچند که با محدودیت‌های منحصربه‌فردی نیز همراه می‌باشد. اندکی پیش‌تر هیچ روش ایده آلی برای تولید و آشکارسازی امواج تراهرتز وجود نداشت و متناسب با هر کاربردی، منابع و فنّاوری‌های آشکارسازی مختلفی مورد استفاده قرار می‌گرفت. ازاین‌روست که پیشرفت تکنولوژی در این ناحیه از حیث میزان توان منابع و حساسیت آشکارسازها نسبت به انواع متداول با سرعت بسیار کمتری همراه بوده است. با توجه به گفته‌های فوق در حال حاضر گسترش ادوات و فن‌آوری‌های جدید برای پوشش “گاف تراهرتز”  به یکی از دغدغه‌های مهم محققان تبدیل شده است. خوشبختانه، در دهه‌ی اخیر کارهای تحقیقاتی بسیاری بر روی این ناحیه مشاهده‌ شده است [۳].

1. Rogalski, A. and F. Sizov, Terahertz detectors and focal plane arrays. Opto-electronics review, 2011. 19(3): p. 346-404.

2. Kawase, S.i.H.a.K., Terahertz-Wave Parametric Sources, Recent Optical and Photonic Technologies, in Recent Optical and Photonic Technologies. 2010, InTech.

3. Sirtori, C., Applied physics: Bridge for the terahertz gap. Nature, 2002. 417(6885): p. 132-133.