RU2642119C2 - Terahertz-infrared converter for visualization of sources of terahertz radiation - Google Patents
Terahertz-infrared converter for visualization of sources of terahertz radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2642119C2 RU2642119C2 RU2016124893A RU2016124893A RU2642119C2 RU 2642119 C2 RU2642119 C2 RU 2642119C2 RU 2016124893 A RU2016124893 A RU 2016124893A RU 2016124893 A RU2016124893 A RU 2016124893A RU 2642119 C2 RU2642119 C2 RU 2642119C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- terahertz
- gold
- radiation
- infrared
- thz
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 42
- 238000012800 visualization Methods 0.000 title 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 40
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 40
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 37
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 8
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N tetrafluoroethene Chemical compound FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229910000570 Cupronickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- YOCUPQPZWBBYIX-UHFFFAOYSA-N copper nickel Chemical compound [Ni].[Cu] YOCUPQPZWBBYIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000013399 early diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B1/001—Devices without movable or flexible elements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/02—Constructional details
- G01J5/08—Optical arrangements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2/00—Demodulating light; Transferring the modulation of modulated light; Frequency-changing of light
- G02F2/02—Frequency-changing of light, e.g. by quantum counters
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of optical technology, designed to visualize sources of terahertz (THz) radiation, and can be used to create devices for registration and analysis of THz radiation, early diagnosis of cancer, as well as for detecting objects hidden under clothing of citizens at airports, train stations, stadiums and other public places.
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.Known bolometric terahertz-infrared converter for imaging THz radiation sources [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)], consisting of a THz absorber including an ultrathin (not less than 50 times thicker THz radiation wavelength) system of split ring resonators on a dielectric substrate and a metal layer adjacent to the reverse side of the dielectric substrate, and an emitter of a material with high emissivity in the infrared (IR) range adjacent to the metal layer. When the THz radiation is resonantly absorbed by a certain part of the absorber (a resonator based on the split ring), heat is released in the portion of the metal layer located under the corresponding split ring, which causes the emission of infrared radiation from the portion of the emitter adjacent to the portion of the metal layer located under this split ring . The emitted infrared radiation is then visualized by an infrared camera.
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.A disadvantage of the known terahertz-infrared converter is the design complexity due to the fact that the topological design of the frequency-selective surface of the absorber consists of many split ring resonators with a size of ≈ 100 μm × 100 μm. In addition, due to the large ratio (~ 10) of the size of the ring resonator to the gap between the resonators, the temperature fields overlap under adjacent split ring resonators in the metal layer that heats the emitter. Because of this, the image is blurred and the spatial resolution of the converter is degraded. Also, due to the fact that the functions of the absorber, heater and emitter are divided between the three layers, the conversion efficiency is reduced due to energy losses in each layer.
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.A device is also known for creating an image in THz rays ("Terahertz imaging device with improved thermal converter") [US No. 201332082, G01J 5/10, G01J 5/08, publ. in 2012], in which the terahertz-infrared converter consists of a base with many identical converters of THz radiation to IR radiation, organized in the form of rows and columns of a mathematical matrix. The material for the converters is water, glass, carbon nanotubes or a material containing them. The size of the transducers is from 50 to 500 microns.
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.The disadvantages of the known terahertz-infrared converter in a device for creating images in THz rays are the design complexity, which requires geometrically correct alignment of the converters in the form of rows and columns of a mathematical matrix, as well as low sensitivity due to the need to heat large (50-500 microns) converters with THz radiation, size which determines the low spatial resolution.
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⋅a⋅[(W/ΔE)+1]1/3, где а - 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).The terahertz-infrared converter was selected for the prototype [Kyrgyz Patent No. 1684 (2014). The notice was published on October 31, 2014 in the Bulletin “Intellectuals and Menchik - Intellectual Property” No. 10 (187), pp. 7-8, 2014. ISSN 1694-6871, Bishkek, 2014. http://patent.kg/doc/im / 2014/10.pdf], consisting of a base with THz radiation converters into IR radiation, in which the base is made in the form of a matrix transparent in the THz and IR frequency ranges, and the converters are uniformly distributed in its volume and made in the form of copper nanoparticles -nickel alloy with a nickel content of 40-70 wt.%. The diameter of nanoparticles D is determined by the formula D≈1.09⋅ a ⋅ [(W / ΔE) +1] 1/3 , where a is the lattice period of the copper-nickel alloy (nm); W is the width of the d-electron zone of the copper-nickel alloy (meV), ΔE is the energy gap between the electron levels in the d-band (meV).
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.The disadvantage of the terahertz-infrared converter selected for the prototype is the low efficiency of converting THz radiation energy into IR radiation, due to two reasons: firstly, the absorption of a THz photon by a Fermi electron does not occur directly, but through the mediation of the third quasiparticle — the longitudinal phonon; and secondly, the converters used in the converter are copper-nickel alloy nanoparticles whose surface is oxidized, which reduces the transmission of THz radiation into the volume of the gold nanoparticle and the transmission of infrared radiation from it. As a result, the sensitivity of the terahertz-infrared converter is reduced.
Техническая задача - повышение эффективности преобразования энергии ТГц излучения в ИК-излучение и повышение чувствительности терагерц-инфракрасного конвертера.The technical task is to increase the efficiency of converting the energy of THz radiation into IR radiation and increasing the sensitivity of the terahertz-infrared converter.
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 формулеThe problem is solved due to the fact that in a terahertz-infrared converter, consisting of a base with THz radiation converters to infrared radiation, the base is made in the form of a matrix transparent in THz and IR frequency ranges, and the converters are evenly distributed in its volume and made in in the form of gold nanoparticles, the diameter D of which is determined by the formula
где mAu - масса атома золота, ρ - плотность золота, EF - 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 mAu=3,27⋅10-22 г, ρ=19,3 г/см3, EF=5,53 эВ, диаметр наночастиц D≈2,5 нм.where m Au is the mass of the gold atom, ρ is the density of gold, E F is the Fermi energy of gold, hν is the energy of THz photons detected by the terahertz infrared converter. For example, if the energy of THz photons is equal to hν = 15.6 meV, then for gold parameters m Au = 3.27⋅10 -22 g, ρ = 19.3 g / cm 3 , E F = 5.53 eV, the diameter of the nanoparticles D≈2.5 nm.
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.The implementation of the converters in the form of gold nanoparticles with a diameter determined by formula (1) makes it possible to increase the efficiency of the conversion of THz radiation into IR radiation due to the fact that THz radiation photons are absorbed directly in them, without the participation of a longitudinal phonon. In this case, the fulfillment of the energy conservation law is ensured by the choice of the diameter of the gold nanoparticle in accordance with formula (1), and the fulfillment of the momentum conservation law is due to the uncertainty in the momentum of the Fermi electron due to the Heisenberg uncertainty relation.
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.The highest efficiency of conversion of THz radiation to infrared radiation occurs at THz photon energies hν = 13.7-17.5 meV (frequencies ν = 3.3-4.2 THz), corresponding to the energies of the longitudinal phonons most common in nanoparticles - they belong to the full width interval at half the height of the maximum energy distribution of the longitudinal phonons in gold. For this, in accordance with formula (1), the diameters of gold nanoparticles should be equal to 2.4-2.6 nm.
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.Efficiency will also increase because instead of a copper-nickel alloy, gold is used, which does not oxidize, and therefore is not covered by an oxide film that impairs the transmission of THz radiation into the volume of the gold nanoparticle and the transmission of IR radiation from it.
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.Increasing the efficiency of converting THz radiation to IR radiation will also increase the sensitivity of the terahertz infrared converter, since gold nanoparticles will require less THz power to heat them to the temperature threshold of sensitivity of an IR camera, which visualizes a two-dimensional image created by a terahertz infrared converter.
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.The terahertz-infrared converter is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a General view with the base in the form of a matrix in section. The terahertz-infrared converter (Fig. 1) has a base in the form of a matrix consisting of layer 1 transparent in the THz and IR frequency bands, for example, fluoroplast-4 or silicon, with converters in the form of
В Таблице 1 представлены параметры терагерц-инфракрасного конвертера при различных значениях степени черноты а наночастиц золота: мощности Qф и Qк, 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 Nф и Nк наночастиц золота диаметром 2,5 нм соответственно в матрице из фторопласта-4 и кремния.Table 1 presents the parameters of the terahertz-infrared converter for various degrees of blackness a of gold nanoparticles: the powers Q f and Q k required for heating the gold nanoparticle in a fluoroplast-4 and silicon matrix, respectively, from a temperature of 300 K to the temperature at which it will be registered with an IR camera; as well as the concentrations of N f and N k of gold nanoparticles with a diameter of 2.5 nm, respectively, in a matrix of fluoroplast-4 and silicon.
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 а наночастиц: 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1 (степень черноты а 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 Nф и Nк 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.In FIG. 2 shows the radial distribution of the heating temperature of a gold nanoparticle with a diameter of 2.5 nm, located in a matrix of fluoroplast-4 and silicon, relative to room temperature 300 K, and corresponds to five values of the degree of blackness of a nanoparticles: 0.1; 0.3; 0.5; 0.7; 1 (the degree of blackness a monotonously increases from top to bottom: the upper graph corresponds to a degree of blackness of 0.1, the lower graph corresponds to a degree of blackness of 1). The graphs correspond to the powers that must be released in the nanoparticles so that the infrared radiation emitted by them exceeds the temperature threshold of the sensitivity of the IR camera (for definiteness, in the calculations it was chosen equal to 14 mK). From the graphs in FIG. 2, it follows that at a distance between the nanoparticles of ≥20 nm, the temperature of heating of the fluoroplast-4 relative to 300 K is so small that it avoids exceeding the temperature sensitivity threshold of the IR camera (14 mK). The same is true for a silicon matrix with a distance between nanoparticles of ≥5 nm. The distances between the nanoparticles, corresponding to the concentrations of gold nanoparticles N f and N k in Table 1, far exceed the minimum distances of 20 nm for the fluoroplastic-4 matrix and 5 nm for the silicon matrix. Therefore, at these concentrations of gold nanoparticles, image blurring in terahertz infrared converters will be absent and, accordingly, the spatial resolution of the converters will not decrease.
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 Qф и Qк, 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.In FIG. Figure 3 shows the heating and cooling curves of gold nanoparticles with a diameter of 2.5 nm in matrices of fluoroplast-4 and silicon over time - when heat is released in them with capacities Q f and Q k required for heating to the temperature threshold of sensitivity of the IR camera, and also after stopping the release of heat. The graphs show that the heating and cooling times of gold nanoparticles (≈82.5 ns and 6.75 ps in matrices made of fluoroplast-4 and silicon) are so short compared to 40 ms, the minimum time required to shoot one frame during filming that the calculated terahertz-infrared converters are able to work in real time.
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 EF на уровень EF+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.Terahertz-infrared converter for visualizing terahertz radiation sources (Fig. 1) works as follows. A THz photon of radiation with energy hν passing through base 1 in the form of a matrix transparent in the terahertz and infrared frequency ranges to
В Таблице 2 приведены примеры реализации терагерц-инфракрасного конвертера для визуализации источников терагерцевого излучения.Table 2 shows examples of the implementation of the terahertz-infrared converter for visualizing terahertz radiation sources.
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.The use of the terahertz-infrared converter of the proposed design in optical technology for visualizing objects hidden under clothing will increase the sensitivity of the equipment used in the fight against terrorism in transport and in public places. In addition, the claimed terahertz-infrared converter for visualizing terahertz radiation sources may find application in cancer research equipment.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016124893A RU2642119C2 (en) | 2016-06-21 | 2016-06-21 | Terahertz-infrared converter for visualization of sources of terahertz radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016124893A RU2642119C2 (en) | 2016-06-21 | 2016-06-21 | Terahertz-infrared converter for visualization of sources of terahertz radiation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016124893A RU2016124893A (en) | 2017-12-26 |
| RU2642119C2 true RU2642119C2 (en) | 2018-01-24 |
Family
ID=60762833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016124893A RU2642119C2 (en) | 2016-06-21 | 2016-06-21 | Terahertz-infrared converter for visualization of sources of terahertz radiation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2642119C2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090262766A1 (en) * | 2006-10-19 | 2009-10-22 | Houtong Chen | Active terahertz metamaterial devices |
| US20140231648A1 (en) * | 2013-02-20 | 2014-08-21 | Battelle Energy Alliance, Llc | Terahertz imaging devices and systems, and related methods, for detection of materials |
| RU2545497C1 (en) * | 2014-01-09 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") | Method of producing terahertz detectors |
-
2016
- 2016-06-21 RU RU2016124893A patent/RU2642119C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090262766A1 (en) * | 2006-10-19 | 2009-10-22 | Houtong Chen | Active terahertz metamaterial devices |
| US20140231648A1 (en) * | 2013-02-20 | 2014-08-21 | Battelle Energy Alliance, Llc | Terahertz imaging devices and systems, and related methods, for detection of materials |
| RU2545497C1 (en) * | 2014-01-09 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") | Method of producing terahertz detectors |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016124893A (en) | 2017-12-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Durini | High performance silicon imaging: fundamentals and applications of cmos and ccd sensors | |
| Harilal et al. | Efficient laser-produced plasma extreme ultraviolet sources using grooved Sn targets | |
| Kononenko et al. | All-carbon detector with buried graphite pillars in CVD diamond | |
| US8785852B2 (en) | Terahertz imaging device with improved thermal converter | |
| JPWO2017188438A1 (en) | Terahertz wave detection device and array sensor | |
| Malinowski et al. | Infrared light emission from nano hot electron gas created in atomic point contacts | |
| US20190137341A1 (en) | Multispectral plasmonic thermal imaging device | |
| Franc et al. | Flux-dependent electric field changes in semi-insulating CdZnTe | |
| RU2642119C2 (en) | Terahertz-infrared converter for visualization of sources of terahertz radiation | |
| Morozov et al. | Optical pumping in graphene-based terahertz/far-infrared superluminescent and laser heterostructures with graded-gap black-PxAs1− x absorbing-cooling layers | |
| Taheri et al. | ZnO nanowires in polycarbonate membrane as a high resolution X-ray detector (a Geant4 simulation) | |
| Hansen et al. | Mitigation of self-focusing in Thomson scattering experiments | |
| Shultzman et al. | Enhanced imaging using inverse design of nanophotonic scintillators | |
| Touš et al. | High-resolution imaging of biological and other objects with an X-ray digital camera | |
| KR101377655B1 (en) | Apparatus For Measuring Thermal Distribution of Infrared Image sensor | |
| Malyutenko | Negative luminescence in semiconductors: a retrospective view | |
| RU2511070C1 (en) | Device for imaging terahertz radiation sources | |
| Garbuny et al. | Image converter for thermal radiation | |
| Chai et al. | Extreme ultra-violet movie camera for imaging microsecond time scale magnetic reconnection | |
| Bell et al. | The differential absorption hard x-ray spectrometer at the Z facility | |
| Bachmann et al. | Improved hard x-ray (50-80 keV) imaging of hohlraum implosion experiments at the National Ignition Facility | |
| RU2622093C9 (en) | Source of terahertz radiation | |
| Ding et al. | Directional charged-particle detector with a two-layer ultrathin phosphor foil | |
| Malyutenko et al. | Bulk silicon as photonic dynamic infrared scene projector | |
| Malyutenko | Si photonics expands to mid-wave and long-wave infrared: the fundamentals and applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180622 |