Introducción a la banda de terahercios

Aprenda sobre la banda de terahercios, sus propiedades y las aplicaciones en las que encuentra utilidad.

Si alguna vez escuchó el término "brecha de THz" pero no sabía lo que significaba, este artículo es para usted.

El espectro de terahercios

La radiación de terahercios (THz) se define generalmente como la región del espectro electromagnético en el rango de 100 GHz (3 mm) a 10 THz (30 μm), que se encuentra entre las frecuencias milimétricas e infrarrojas. La banda de THz ha recibido varios nombres, como onda submilimétrica, infrarroja lejana y casi milimétrica.

A 1 THz, la señal radiada tiene las siguientes características:

• Longitud de onda: 300 μm en espacio libre
• Periodo: 1 ps,
• Energía fotónica: 4,14 meV

Además, hf / k _B =48 K de temperatura donde h es la constante de Planck (6.62607004 × 10 ^-34 J.s), f es la frecuencia y k _B es la constante de Boltzmann (1.380649 × 10 ⁻²³ J / K).

La banda de THz en el espectro electromagnético se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Diagrama esquemático que muestra la ubicación de la banda THz en el espectro electromagnético

Esta porción del espectro electromagnético es el área menos investigada en comparación con las regiones vecinas, es decir, las bandas ópticas y de microondas.

Esta es la razón por la que el término "brecha THz" se utiliza para explicar la infancia de esta banda en comparación con regiones espectrales vecinas bien desarrolladas. Esto ha llevado a investigadores de varios discípulos (como la física, la ciencia de los materiales, la electrónica, la óptica y la química) a investigar varios aspectos inexplorados o menos explorados de las ondas THz.

Propiedades de las ondas de terahercios

Aunque el interés en la región THz se remonta a la década de 1920, se han dedicado amplios estudios a esta región solo en las últimas tres décadas. Una motivación clave para esto son las excepcionales propiedades de las ondas y las vastas aplicaciones posibles en el rango de frecuencia de THz.

Las ondas THz tienen características medias de las dos bandas que se han intercalado entre ellas.

Estas propiedades se pueden resumir de la siguiente manera:

1. Penetración: La longitud de onda de la radiación THz es más larga que la longitud de onda infrarroja; por lo tanto, las ondas THz tienen menos dispersión y mejores profundidades de penetración (en el rango de cm) en comparación con las infrarrojas (en el rango de μm). Por lo tanto, los materiales secos y no metálicos son transparentes en este rango pero son opacos en el espectro visible.
2. Resolución: Las ondas THz tienen longitudes de onda más cortas en comparación con las de microondas; esto proporciona una mejor resolución de imágenes espaciales.
3. Seguridad: Las energías de los fotones en la banda de THz son mucho más bajas que las de los rayos X. Por lo tanto, la radiación de THz no es ionizante.
4. Huella digital espectral: Los modos inter e intra vibracionales de muchas moléculas se encuentran en el rango de THz.

Desafíos en el desarrollo de la banda THz

Aunque la banda de THz tiene varias características fascinantes, existen algunos desafíos específicos para las tecnologías de THz. La razón principal por la que el campo THz ha sido subdesarrollado en comparación con las bandas vecinas es la falta de detectores y fuentes de THz eficientes, coherentes y compactos.

Estas características de las fuentes se pueden encontrar en las fuentes de frecuencia de microondas comunes, como transistores o antenas de RF / MW, y en dispositivos que funcionan en el rango visible e infrarrojo, como los diodos láser semiconductores. Sin embargo, no es posible adoptar estas tecnologías para operar en la región THz sin una reducción significativa de la potencia y la eficiencia.

En el extremo inferior de la gama de frecuencias THz, se emplean en general dispositivos electrónicos de estado sólido; sin embargo, estos dispositivos tienen descensos de 1 / f ² debido a efectos reactivos-resistivos y largos tiempos de tránsito. Por otro lado, los dispositivos ópticos como los láseres de diodo no funcionan bien en el límite del rango de THz debido a la falta de materiales con energías de banda prohibida adecuadamente pequeñas.

Otro desafío en la banda de THz son las altas pérdidas. Las ondas de THz tienen una alta absorción en la situación atmosférica y el ambiente húmedo. La atenuación atmosférica en todo el espectro electromagnético se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Atenuación a nivel del mar para diferentes situaciones atmosféricas:Lluvia =4 mm / h; Niebla =visibilidad de 100 m; STD =7,5 g / m ³ vapor de agua; 2 × STD =15 g / m ³ vapor de agua. Imagen de M. C. Kemp a través de IEEE Xplore

Es obvio que la degradación de la señal en el rango de THz es considerablemente mayor que la de las bandas de microondas e infrarrojos. Eso se debe en parte a que las moléculas de agua resuenan en este rango.

Las características atmosféricas adversas de las ondas THz las convierten en una región de frecuencia de trabajo adecuada para los dos casos siguientes:

• Aeroespacial: En el espacio, el ambiente es casi vacío, por lo que la absorción y atenuación de la señal debido a las gotas de agua no son un problema. Además, la firma espectral del polvo interestelar se encuentra en la región THz. Por lo tanto, la tecnología THz se ha utilizado ampliamente en radioastronomía, como el lanzamiento del Observatorio Espacial Herschel por parte de la Agencia Espacial Europea.
• De corto alcance: Para aplicaciones de corto alcance, la atenuación atmosférica es insignificante, especialmente las frecuencias con alta absorción. Esto facilita la eliminación / reconocimiento del efecto de estas líneas estrechas. Por lo tanto, la tecnología THz es una herramienta muy ingeniosa para investigaciones fundamentales en diversas disciplinas como la física y la química. Además, es una opción atractiva para la comunicación inalámbrica de corto alcance con altas velocidades de datos.

Aplicaciones de la radiación de terahercios

La radiación de THz se puede utilizar en muchas aplicaciones potenciales, incluidas las imágenes de terahercios, la espectroscopia y la comunicación inalámbrica.

Las imágenes biomédicas son una de las subcategorías de las imágenes de THz. Las ondas de THz pueden penetrar hasta unos pocos cientos de micrómetros en los tejidos humanos; por lo que las imágenes médicas de THz se pueden aplicar para el diagnóstico de la superficie corporal, como la detección de cáncer de piel, boca y mama, y ​​las imágenes dentales. Además, los sistemas THz tienen el mercado potencial para aplicaciones de seguridad, detección de material explosivo sólido y control de correo. Por último, pero no menos importante, las imágenes de THz son un método conveniente para las inspecciones de empaques de semiconductores.

La espectroscopia THz es una técnica muy poderosa para caracterizar las propiedades de los materiales y comprender su firma en esta banda. La espectroscopía THz ha mejorado la comprensión de las características de absorción en muchas muestras monocristalinas, microcristalinas y en polvo de moléculas orgánicas.

La Figura 3 indica una muestra del resultado de la medición para identificar los modos vibratorios de las moléculas de maltosa.

Figura 3. El espectro vibratorio medido de maltosa en un sistema de espectroscopía de dominio de tiempo THz, el gráfico superior muestra la señal THz medida sin una muestra de maltosa. Las flechas en el gráfico de abajo muestran las frecuencias vibratorias de las moléculas de maltosa. El recuadro muestra la estructura molecular de la maltosa. Imagen de Y. C. Shen et al a través de Applied Physics Letters .

La espectroscopia THz tiene aplicaciones en la ciencia bioquímica, como el análisis de firmas de ADN y estructuras de proteínas. El control en línea de los procesos de producción es otra aplicación potencial de la espectroscopía THz que podría proporcionar mediciones sin contacto y en tiempo real. La espectroscopia de THz se puede manipular positivamente para distinguir las sustancias hidratadas de las secas debido a la alta absorción de agua en las frecuencias de THz. Por ejemplo, en la industria del papel, los fabricantes han utilizado la espectroscopia THz para controlar el grosor y el contenido de humedad de los papeles.

En algunas aplicaciones, como las pruebas no destructivas, se emplean tanto la formación de imágenes de THz como la espectroscopia. Por ejemplo, en una investigación de historia del arte, las imágenes y la espectroscopia de THz ayudan a obtener imágenes de antigüedades, a revelar el grosor de las diferentes capas de la obra de arte y a mostrar los tipos de materiales.

La Figura 4 muestra una fotografía visible de la Virgen en Preghiera (izquierda) y una imagen de THz de la pintura basada en el espectro integrado entre 0.5 - 1 THz (derecha).

Figura 4. (a) fotografía visible de la Virgen en Preghiera (b) THz imagen de la Virgen en Preghiera en el espectro integrado entre 0,5 y 1 THz. Imagen de J. Dong et al a través de Scientific Reports

Las imágenes de THz proporcionan información sobre las capas inferiores de la pintura con un grado revolucionario de detalles del orden de decenas de micrones.

Además, la obtención de imágenes y espectroscopía de THz son dos métodos no invasivos cuantitativos y cualitativos potentes para examinar formas farmacéuticas sólidas, recubrimientos de comprimidos e ingredientes farmacéuticos activos. Por ejemplo, la Figura 5 muestra la variación entre tabletas del grosor de la capa de recubrimiento de ocho tabletas con el mismo tiempo de recubrimiento en el proceso de recubrimiento en la región THz.

Figura 5. El espesor de recubrimiento promedio de cada tableta individual frente al tiempo de recubrimiento. El recuadro muestra el mapa de espesor de recubrimiento (μm) de ocho tabletas con el mismo tiempo de recubrimiento de 120 min. Es obvia una gran variación de espesor de recubrimiento de tableta a tableta. Imagen de Y. C. Shen vía International Journal of Pharmaceutics

El potencial de la banda de terahercios

Durante el final del siglo XX y la primera década del siglo XXI, cuando se estaban llevando a cabo una gran cantidad de experimentos de laboratorio de THz, los investigadores se centraron principalmente en varias aplicaciones potenciales de THz y se han obtenido resultados muy prometedores. De hecho, esos fascinantes resultados experimentales fueron una gran motivación y fuerza motriz para que muchos investigadores profundizaran en el campo THz y lo exploraran desde diferentes aspectos.

Debido al progreso continuo en el campo de investigación de THz en los últimos años, los sistemas y aplicaciones de THz están encontrando su lugar en algunas aplicaciones comerciales. Sin embargo, para que las ondas THz puedan competir y superar otras tecnologías en escenarios del mundo real, se deben abordar y / o mejorar varios problemas. Por ejemplo, se requieren fuentes de THz compactas y de alta potencia, los sistemas de medición de THz deben miniaturizarse, se requieren métodos para un escaneo de haz de THz más rápido y los sistemas de THz deben tener un costo menor.

Otro campo de investigación en auge es la comunicación inalámbrica THz. Esto es particularmente solicitado porque permite comunicaciones inalámbricas de alta velocidad más allá de 5G. Por lo tanto, se requieren varios estudios para madurar y alcanzar el máximo potencial de la banda de THz.