RU2622093C9 - Source of terahertz radiation - Google Patents
Source of terahertz radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2622093C9 RU2622093C9 RU2016118933A RU2016118933A RU2622093C9 RU 2622093 C9 RU2622093 C9 RU 2622093C9 RU 2016118933 A RU2016118933 A RU 2016118933A RU 2016118933 A RU2016118933 A RU 2016118933A RU 2622093 C9 RU2622093 C9 RU 2622093C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gold
- objects
- chamber
- magnetron
- substrate
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к источникам терагерцового (ТГц) излучения и может применяться в медицинских исследованиях при визуализации злокачественных опухолей, для неразрушающего контроля качества лекарств в фармацевтике и для сканирования людей в аэропортах, вокзалах и местах проведения массовых мероприятий с целью обнаружения предметов, укрываемых под одеждой.The invention relates to sources of terahertz (THz) radiation and can be used in medical research for the visualization of malignant tumors, for non-destructive quality control of drugs in pharmaceuticals and for scanning people at airports, train stations and places of public events in order to detect items hidden under clothes.
Известен генератор субтерагерцового и терагерцового излучения на основе оптического транзистора (патент RU 2536327, H01L 31/112, G02F 1/00, опубл. в 2014), включающий источник лазерного излучения, электрическую цепь с источниками напряжения и импедансной нагрузкой, и оптически активный элемент. Оптически активный элемент оснащен дополнительным полевым транзистором, имеющим в подзатворной области слой полупроводника с коротким временем жизни фотовозбужденных носителей заряда, затвор из прозрачного или полупрозрачного материала, при этом электрическое смещение подается на сток и исток проводящего канала полевого транзистора.A known sub-terahertz and terahertz radiation generator based on an optical transistor (patent RU 2536327, H01L 31/112, G02F 1/00, published in 2014), including a laser radiation source, an electrical circuit with voltage sources and an impedance load, and an optically active element. The optically active element is equipped with an additional field-effect transistor, which has a semiconductor layer with a short lifetime of photoexcited charge carriers, a gate made of transparent or translucent material in the gate region, and the electric bias is applied to the drain and source of the conducting channel of the field-effect transistor.
Известен также многоэлементный генератор терагерцового излучения (патент RU 2523746, G02F 1/00, опубл. в 2014), содержащий исследуемый образец, лазер, излучающий фемтосекундное лазерное излучение, многоэлементный эмиттер, состоящий хотя бы из одного элементарного эмиттера, представляющего собой слой кристаллического полупроводника с напыленной металлической маской, формирующей резкий градиент освещенности слоя кристаллического полупроводника фемтосекундным лазерным излучением, при этом на границе освещенной и неосвещенной частей слоя кристаллического полупроводника сформирован резкий градиент концентрации фотовозбужденных носителей зарядов параллельно поверхности слоя кристаллического полупроводника. Также содержит эллиптическое зеркало, выполненное формирующим фокусированный пучок терагерцового излучения и содержащее отверстие для пропускания фемтосекундного лазерного излучения, а многоэлементный эмиттер выполнен содержащим растр цилиндрических микролинз, распределяющий фемтосекундное лазерное излучение между элементарными эмиттерами и формирующий на слое кристаллического полупроводника освещение только областей, участвующих в генерации ТГц излучения, кроме того, металлическая маска выполнена в виде плоских металлических полос.Also known is a multi-element terahertz radiation generator (patent RU 2523746, G02F 1/00, published in 2014), containing a test sample, a laser emitting femtosecond laser radiation, a multi-element emitter consisting of at least one elementary emitter, which is a layer of a crystalline semiconductor with sprayed metal mask, forming a sharp gradient of illumination of the crystalline semiconductor layer by femtosecond laser radiation, while at the border of the illuminated and unlit parts of the crista layer -crystal semiconductor formed sharp concentration gradient photoexcited charge carriers parallel to the surface of the crystalline semiconductor layer. It also contains an elliptical mirror made by forming a focused beam of terahertz radiation and containing a hole for transmitting femtosecond laser radiation, and a multi-element emitter is made containing a raster of cylindrical microlenses that distributes femtosecond laser radiation between elementary emitters and generates illumination of only T regions on the crystal semiconductor layer that are involved in the generation of Hz radiation, in addition, the metal mask is made in the form of a flat metal bands.
Общим недостатком описанных устройств является применение дорогостоящего источника лазерного излучения, малое сечение потока ТГц излучения и низкая мощность ТГц излучения.A common disadvantage of the described devices is the use of an expensive source of laser radiation, a small cross section of the THz radiation stream and low THz radiation power.
За прототип выбрано устройство широкополосной генерации терагерцового излучения на основе метаматериала (L. Luo, I. Chatzakis, J. Wang, F.B.P. Niesler, M. Wegener, T. Koschny, C.M. Soukoulis, Broadband terahertz generation from metamaterials. Nature Communications, vol. 5, Article number: 3055 doi: 10.1038/ncomms4055 (2014)), содержащее электромагнитный излучатель в виде фемтосекундного лазера ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны 1500 нм, облучающий импульсами длительностью 140 фс подложку из супрасила толщиной 1 мм с расположенными на ней U-образными золотыми объектами в виде разрезных кольцевых резонаторов с габаритными размерами 212 нм × 220 нм × 40 нм и периодом расположения 382 нм, поляризатор в виде металлической проволочной сетки и систему фокусировки в виде параболического зеркала, при этом для накачки фемтосекундного лазера используется титан-сапфировый усилитель с длиной волны 800 нм, длительностью импульсов 35 фс и частотой повторения 1 кГц.For the prototype, a metamaterial-based terahertz radiation device has been selected (L. Luo, I. Chatzakis, J. Wang, FBP Niesler, M. Wegener, T. Koschny, CM Soukoulis, Broadband terahertz generation from metamaterials. Nature Communications, vol. 5 , Article number: 3055 doi: 10.1038 / ncomms4055 (2014)), containing an electromagnetic emitter in the form of a near-infrared femtosecond laser with a wavelength of 1500 nm, irradiating pulses of 140 fs suprasil substrate with a thickness of 1 mm with U-shaped gold objects in the form of split ring resonators with overall dimensions measuring 212 nm × 220 nm × 40 nm and a period of 382 nm, a polarizer in the form of a metal wire mesh and a focusing system in the form of a parabolic mirror, while a titanium-sapphire amplifier with a wavelength of 800 nm and a pulse duration of 35 fs is used to pump a femtosecond laser and a repetition rate of 1 kHz.
К недостаткам устройства широкополосной генерации терагерцового излучения на основе метаматериала, выбранного за прототип, относятся: высокая стоимость, так как для его работы требуется дорогостоящий излучатель в виде импульсного фемтосекундного лазера ближнего инфракрасного диапазона; ограниченные возможности увеличения мощности ТГц излучения из-за малого числа облучаемых разрезных кольцевых резонаторов вследствие малой облучаемой площади подложки (ограниченной диаметром лазерного луча ≈4 мм) при больших размерах резонаторов (212 нм × 220 нм) и периода их размещения (382 нм); а также малое сечение потока ТГц излучения из-за малого диаметра лазерного луча (≈4 мм).The disadvantages of a device for broadband generation of terahertz radiation based on the metamaterial selected for the prototype include: high cost, since it requires an expensive emitter in the form of a pulsed femtosecond near-infrared laser; limited possibilities for increasing the THz radiation power due to the small number of irradiated split ring resonators due to the small irradiated substrate area (limited by a laser beam diameter of ≈4 mm) with large resonator sizes (212 nm × 220 nm) and their placement period (382 nm); and also the small cross section of the THz radiation flux due to the small diameter of the laser beam (≈4 mm).
Технической задачей изобретения является снижение стоимости источника ТГц излучения при повышении его мощности за счет увеличения сечения потока ТГц излучения.An object of the invention is to reduce the cost of a THz radiation source while increasing its power by increasing the THz radiation flux cross section.
Поставленная задача решается за счет того, что источник терагерцового излучения, включающий корпус, в котором размещены электромагнитный излучатель, облучаемая подложка с расположенными на ней золотыми объектами и резонансный фильтр, плоскость которого параллельна плоскости подложки, снабжен металлической камерой с входным и выходным отверстиями на смежных стенках, установленной в корпусе с зазором, подложка с золотыми объектами размещена внутри металлической камеры так, что ось входного отверстия лежит в плоскости с золотыми объектами, причем в корпусе выполнено отверстие, совпадающее по форме и соосное с выходным отверстием камеры, в котором установлен резонансный фильтр, при этом электромагнитный излучатель выполнен в виде магнетрона с волноводом, установленным коаксиально с входным отверстием металлической камеры так, что торец волновода находится внутри камеры, а золотые объекты использованы произвольной формы, число атомов Na в которых удовлетворяет неравенству:The problem is solved due to the fact that the source of terahertz radiation, including a housing in which an electromagnetic emitter is located, an irradiated substrate with gold objects located on it and a resonant filter, the plane of which is parallel to the plane of the substrate, is equipped with a metal camera with inlet and outlet openings on adjacent walls installed in the housing with a gap, the substrate with gold objects is placed inside the metal chamber so that the axis of the inlet lies in the plane with the gold object and, moreover, a hole is made in the housing that matches the shape and is coaxial with the outlet of the chamber, in which the resonant filter is installed, while the electromagnetic emitter is made in the form of a magnetron with a waveguide mounted coaxially with the inlet of the metal chamber so that the end of the waveguide is inside the chamber , and gold objects are used of arbitrary shape, the number of atoms N a in which satisfies the inequality:
где EF - энергия Ферми золота, Em - энергия пика энергетического распределения плотности состояний продольных фононов в золоте, ν - рабочая частота магнетрона, a h - константа Планка.where E F is the Fermi energy of gold, E m is the energy of the peak of the energy distribution of the density of states of longitudinal phonons in gold, ν is the working frequency of the magnetron, and ah is the Planck constant.
Магнетрон может быть выполнен с инверторным управлением мощности.The magnetron can be made with inverter power control.
Выполнение электромагнитного излучателя в виде магнетрона с волноводом, установленным коаксиально с входным отверстием металлической камеры, и облучающим подложку с золотыми объектами, установленную в металлической камере достаточно больших размеров позволяет одновременно реализовать в большом числе золотых объектов условие поглощения сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, а затем генерации ТГц квантов. Это условие требует, чтобы энергия целого числа mel квантованных энергетических зазоров ΔEel электронов в интервале от уровня Ферми до «возбужденного» электронного уровня была равна сумме энергий целого числа nvm квантованных энергетических зазоров ΔEvm продольных вибрационных мод атомов золота (то есть, продольных фононов) и СВЧ фотона hν:The implementation of an electromagnetic emitter in the form of a magnetron with a waveguide mounted coaxially with the inlet of the metal chamber and irradiating a substrate with gold objects mounted in a metal chamber of sufficiently large sizes allows simultaneously to realize in a large number of gold objects the condition for the absorption of microwave radiation, and then generation THz quanta. This condition requires that the energy of an integer m el of quantized energy gaps ΔE el of electrons in the interval from the Fermi level to the "excited" electronic level is equal to the sum of the energies of an integer n vm of quantized energy gaps ΔE vm of longitudinal vibrational modes of gold atoms (i.e., longitudinal phonons) and microwave photon hν:
С учетом того, что:Given the fact that:
1) в СВЧ диапазоне hν << nvm⋅ΔEvm (например, при частоте магнетрона ν=2,45 ГГц энергия СВЧ фотона hν=0,01 мэВ, что намного меньше, чем nvm⋅ΔEvm=15,6 мэВ, энергия наиболее распространенного в золотом объекте продольного фонона);1) in the microwave range hν << n vm ⋅ΔE vm (for example, at a magnetron frequency ν = 2.45 GHz, the energy of the microwave photon is hν = 0.01 meV, which is much less than n vm ⋅ΔE vm = 15.6 meV , energy of the most common longitudinal phonon in a gold object);
2) наибольшая эффективность поглощения СВЧ фотона (и наибольшая мощность ТГц излучения источника) имеет место при mеl=nvm;2) the highest absorption efficiency of the microwave photon (and the highest THz power of the radiation source) occurs when m el = n vm ;
3) ΔEel≈(4/3)⋅(EF/Na);3) ΔE el ≈ (4/3) ⋅ (E F / N a );
из соотношения (2) следует требование к необходимому числу атомов Na в золотых объектах:relation (2) implies the requirement for the required number of atoms N a in gold objects:
Na≈(4/3)⋅(EF/ΔEvm),N a ≈ (4/3) ⋅ (E F / ΔE vm ),
а из него - неравенство (1). Левая часть неравенства (1) отражает предельный случай, когда «возбужденным» уровнем электрона является уровень, ближайший к уровню Ферми, и при этом энергетический зазор ΔEvm равен Еm, энергии пика энергетического распределения плотности состояний продольных фононов в золоте (Еm=15,6 мэВ). Правая же часть неравенства (1) отражает другой предельный случай, когда между «возбужденным» уровнем электрона и уровнем Ферми существует много электронных энергетических уровней и при этом зазор ΔEvm=ΔEel=hν. Этот предельный случай обусловлен нежелательностью возможного нагрева золотых объектов вследствие выполнения законов сохранения энергии и импульса за счет соотношения неопределенностей Гейзенберга.and from it - inequality (1). The left side of inequality (1) reflects the limiting case when the “excited” electron level is the level closest to the Fermi level, and the energy gap ΔE vm is equal to Е m , the peak energy of the energy distribution of the density of states of longitudinal phonons in gold (Е m = 15 , 6 meV). The right-hand side of inequality (1) reflects another limiting case when there are many electronic energy levels between the “excited” electron level and the Fermi level, and the gap ΔE vm = ΔE el = hν. This limiting case is due to the undesirability of the possible heating of gold objects due to the fulfillment of the laws of conservation of energy and momentum due to the Heisenberg uncertainty relation.
Обеспечение числа атомов N a в золотых объектах произвольной формы согласно неравенству (1) создает возможность увеличения мощности ТГц излучения за счет:Ensuring the number of atoms N a in gold objects of arbitrary shape according to inequality (1) creates the possibility of increasing the power of THz radiation due to:
(а) одновременного поглощения фермиевским электроном объекта как СВЧ фотона, так и наиболее распространенного в объекте продольного фонона, который численно доминирует в энергетическом распределении продольных фононов в золоте (Еm=15,6 мэВ);(a) the simultaneous absorption by the Fermi electron of the object of both a microwave photon and the longitudinal phonon most widespread in the object, which numerically dominates the energy distribution of longitudinal phonons in gold (E m = 15.6 meV);
(б) увеличения числа облучаемых золотых объектов вследствие, во-первых, малости их габаритных размеров по сравнению с габаритными размерами разрезных кольцевых резонаторов в устройстве-прототипе и, во-вторых, благодаря большей площади подложки, облучаемой СВЧ фотонами;(b) an increase in the number of irradiated gold objects due to, firstly, the smallness of their overall dimensions in comparison with the overall dimensions of the split ring resonators in the prototype device and, secondly, due to the larger area of the substrate irradiated by microwave photons;
(в) рассеяния возбужденного электрона на границе объекта (а не внутри него, где поглощенная энергия могла бы выделиться в виде теплоты вместо излучения ТГц кванта), который, релаксируя, испустит квант ТГц излучения.(c) scattering of an excited electron at the boundary of the object (and not inside it, where the absorbed energy could be released in the form of heat instead of the radiation of the THz quantum), which, when relaxed, will emit a THz quantum.
Например, при рабочей частоте магнетрона с волноводом ν=2,45 ГГц, EF=5,53 эВ, Еm=15,6 мэВ, h=4,14⋅10-15 эВ⋅с неравенство (1) примет вид:For example, at the working frequency of a magnetron with a waveguide ν = 2.45 GHz, E F = 5.53 eV, E m = 15.6 meV, h = 4.14⋅10 -15 eV⋅s, inequality (1) takes the form:
473≤Na<7,3⋅105.473≤N a <7.3⋅10 5 .
Чтобы обеспечить максимальное число ТГц квантов, проходящих в единицу времени через резонансный фильтр, сумма энергий СВЧ фотона и продольного фонона, доминирующего в энергетическом распределении продольных фононов в золоте, равна энергии пропускания резонансного фильтра. Это также позволит повысить мощность ТГц излучения источника.In order to ensure the maximum number of THz quanta passing through the resonance filter per unit time, the sum of the energies of the microwave photon and the longitudinal phonon that dominates the energy distribution of the longitudinal phonons in gold is equal to the transmission energy of the resonant filter. This will also increase the THz radiation power of the source.
Использование СВЧ фотонов для получения ТГц излучения снижает стоимость источника ТГц излучения, так как стоимость излучателей СВЧ диапазона на три порядка ниже стоимости фемтосекундного лазера. А так как мощность излучателей СВЧ диапазона легко обеспечивается на уровне 1-2 кВт, что намного превышает среднюю мощность существующих фемтосекундных лазеров ближнего инфракрасного диапазона, ограниченную 0,01-15 Вт, таким образом создается возможность повышения мощности источника ТГц. Кроме того, использование СВЧ излучения позволяет облучать подложку больших размеров: она может иметь ширину и высоту камеры. Благодаря этому, во-первых, увеличивается сечение потока ТГц излучения, а, во-вторых, площадь подложки может намного превысить площадь подложки с разрезными кольцевыми резонаторами в устройстве-прототипе, поэтому прямым (непосредственно от магнетрона с волноводом) и отраженным от стенок металлической камеры СВЧ излучением обеспечивается одновременное и всестороннее облучение гораздо большего числа объектов, чем разрезных кольцевых резонаторов в устройстве-прототипе. Следовательно, за счет сбора ТГц излучения с большего числа объектов при помощи фокусировки также создается возможность повышения мощности ТГц излучения на исследуемом объекте.The use of microwave photons to obtain THz radiation reduces the cost of a THz radiation source, since the cost of microwave emitters is three orders of magnitude lower than the cost of a femtosecond laser. And since the power of the microwave emitters is easily provided at a level of 1-2 kW, which is much higher than the average power of existing femtosecond near-infrared lasers, limited to 0.01-15 W, this creates the possibility of increasing the power of the THz source. In addition, the use of microwave radiation allows you to irradiate a large substrate: it can have a width and height of the chamber. Due to this, firstly, the THz radiation flux cross section increases, and secondly, the substrate area can significantly exceed the substrate area with split ring resonators in the prototype device, therefore, it is direct (directly from the magnetron with the waveguide) and reflected from the walls of the metal chamber Microwave radiation provides simultaneous and comprehensive irradiation of a much larger number of objects than split ring resonators in the prototype device. Therefore, by collecting THz radiation from a larger number of objects by focusing, it is also possible to increase the power of THz radiation at the object under study.
Выполнение магнетрона с инверторным управлением его мощности позволит плавно изменять выходную мощность источника ТГц излучения, что важно при медицинских исследованиях.The implementation of a magnetron with inverter control of its power will allow you to smoothly change the output power of a THz radiation source, which is important in medical research.
Источник ТГц излучения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид в разрезе; на фиг. 2 - то же, вид сверху. На фиг. 3 изображен вид золотой нанополоски сверху; на фиг. 4 - то же, вид сбоку в разрезе. На фиг. 5 - изображен вид золотого нанокольца сверху; на фиг. 6 - то же, вид сбоку в разрезе.The source of THz radiation is illustrated in the drawings, where in FIG. 1 shows a General view in section; in FIG. 2 - the same, top view. In FIG. 3 shows a top view of a gold nanostrip; in FIG. 4 - same, side view in section. In FIG. 5 - shows a top view of a gold nanowire; in FIG. 6 is the same sectional side view.
Источник терагерцового излучения состоит из корпуса 1, в котором с зазором 2 установлена металлическая камера 3 с входным 4 и выходным 5 отверстиями на смежных стенках, облучаемой подложки 6 с нанесенными золотыми объектами 7, электромагнитного излучателя в виде магнетрона 8 с волноводом 9 и резонансного фильтра 10, системы питания, управления и охлаждения (на рис. не показаны). Подложка 6 размещена в камере 3 так, что ось входного отверстия 4 находится в плоскости с золотыми объектами 7, при этом плоскость подложки 6 параллельна плоскости выходного отверстия 5. Волновод 9 установлен коаксиально с входным отверстием 4. Торец волновода 9 находится внутри камеры 3. В корпусе 1 выполнено отверстие 11, совпадающее по форме с выходным отверстием 5 и соосное с ним. В зазоре 2 в отверстиях 5 и 11 плотно установлен резонансный фильтр 10. На выходе резонансного фильтра 10 может быть размещена система фокусировки 12, собирающая эмиттированное объектами ТГц излучение и фокусирующая его на исследуемом объекте 13. При использовании источника ТГц излучения для сканирования людей с целью обнаружения предметов, скрытых под одеждой, система фокусировки 12 не устанавливается, так как в этом случае требуется нефокусированный широкий поток ТГц излучения, обеспечивающий на туловище человека пятно размерами ≈0,5 м × 0,5 м.The terahertz radiation source consists of a housing 1, in which with a gap 2 there is a
Источник ТГц излучения работает следующим образом. Магнетрон 8 (фиг. 1, 2) генерирует СВЧ фотоны, которые через волновод 9 поступают в полость металлической камеры 3, в которой смонтирована подложка 6 с множеством расположенных на ней золотых объектов 7. Объекты 7 облучаются магнетроном 8 с волноводом 9 и отраженным от стенок металлической камеры 3 потоком СВЧ фотонов. В объектах 7 фермиевские электроны поглощают одновременно СВЧ фотоны и продольные фононы, существующие в объектах 7. Энергия продольных фононов равна 15,6 мэВ и соответствует пику энергетического распределения продольных фононов в золоте. Доминирующее число поглощаемых продольных фононов обусловливает и повышенную интенсивность потока ТГц фотонов с энергией 15,6 мэВ, испущенных возбужденными электронами в результате их рассеяния на границах объектов 7. ТГц фотоны с энергией 15,6 мэВ, испущенные в направлении резонансного фильтра 10, выходят из металлической камеры 3 через резонансный фильтр 10, имеющий энергию пропускания 15,6 мэВ (частоту пропускания 3,77 ТГц), а фон СВЧ фотонов поглощается резонансным фильтром 10 и не выходит наружу. В случае применения источника ТГц излучения для исследования объекта 13, поток ТГц фотонов, пропущенных резонансным фильтром 10, собирается системой фокусировки 12 и фокусируется на исследуемом образце 13. В случае применения источника ТГц излучения для сканирования людей с целью обнаружения предметов, укрываемых под одеждой, поток ТГц фотонов, пропущенных резонансным фильтром 10, должен быть широким, поэтому он не фокусируется, и система фокусировки 12 не используется.The source of THz radiation works as follows. Magnetron 8 (Fig. 1, 2) generates microwave photons, which through a
В таблице 1 приведены примеры реализации источника ТГц излучения при различных сочетаниях подложки, типа объектов, резонансного фильтра и системы фокусировки, рабочая частота магнетрона с волноводом равна 2,45 ГГц, а СВЧ мощность магнетрона 1 кВт.Table 1 shows examples of the implementation of a THz radiation source for various combinations of the substrate, such as objects, a resonant filter and a focusing system, the working frequency of the magnetron with the waveguide is 2.45 GHz, and the microwave power of the magnetron is 1 kW.
Таким образом, благодаря двум геометрическим факторам, способствующим увеличению числа золотых объектов-источников ТГц излучения (увеличенная площадь подложки для объектов и уменьшенные размеры последних), а также благодаря тому, что в золотых объектах фермиевские электроны одновременно поглощают СВЧ фотоны и продольные фононы, доминирующие в объектах, эмиттированная ТГц мощность источника ТГц излучения повышается. А применение излучателя СВЧ диапазона позволяет во много раз уменьшить стоимость источника ТГц излучения. Таким образом, поставленная техническая задача решена.Thus, due to two geometrical factors contributing to an increase in the number of gold objects-sources of THz radiation (increased substrate area for objects and reduced sizes of the latter), and also due to the fact that in gold objects Fermi electrons simultaneously absorb microwave photons and longitudinal phonons, which dominate in objects, the emitted THz power of the THz radiation source increases. And the use of a microwave emitter can significantly reduce the cost of a THz radiation source. Thus, the technical task is solved.
Выполненные расчеты показали, что в золотых объектах угол γ (см. фиг. 3 и фиг. 5) между направлением импульса s возбужденного электрона (поглотившего в объекте СВЧ фотон и продольный фонон) и импульсом продольного фонона nvm⋅q составляет ≈72,3°. Поэтому возбужденный электрон неизбежно будет рассеиваться на границе объекта. При этом, вследствие значительной величины работы выхода электрона из золота (≈4,3 эВ), рассеиваемый электрон не покинет объект, а будет релаксировать, переходя на уровень Ферми с испусканием ТГц фотона с энергией 15,6 мэВ (частотой 3,77 ТГц), на которую «настроены» золотые объекты путем выбора числа атомов Nа в них согласно неравенству (1) (размеры объектов также должны быть меньше глубины скин-слоя в золоте в СВЧ диапазоне, например, при частоте магнетрона 2,45 ГГц - меньше 1,5 мкм). Таким образом, объекты становятся источниками ТГц излучения, ширина полосы которого определяется полной шириной на половине высоты энергетического распределения продольных фононов в золоте, то есть ≈3,74 мэВ (≈0,9 ТГц).The calculations showed that in gold objects, the angle γ (see Fig. 3 and Fig. 5) between the direction of the momentum s of the excited electron (absorbing the microwave photon and the longitudinal phonon) and the longitudinal phonon momentum n vm ⋅q is ≈72.3 °. Therefore, an excited electron will inevitably be scattered at the boundary of the object. In this case, due to the significant work function of the electron from gold (≈4.3 eV), the scattered electron will not leave the object, but will relax, going to the Fermi level with the emission of a THz photon with an energy of 15.6 meV (frequency 3.77 THz) to which gold objects are “tuned” by choosing the number of atoms N and in them according to inequality (1) (the size of the objects must also be less than the depth of the skin layer in gold in the microwave range, for example, at a magnetron frequency of 2.45 GHz - less than 1 5 μm). Thus, objects become sources of THz radiation, the bandwidth of which is determined by the full width at half the height of the energy distribution of longitudinal phonons in gold, that is, ≈3.74 meV (≈0.9 THz).
Выполненные расчеты для частоты магнетрона 2,45 ГГц показали следующие размеры нанополосок: d=3 нм, L=100 нм, Н=3,1 нм, при этом размер d/2 меньше средней длины свободного пробега электронов в наночастицах золота (≈1,7 нм), а все размеры нанополоски намного меньше глубины скин-слоя золота на частоте 2,45 ГГц (1,5 мкм). Аналогично, расчеты показали, что у наноколец размеры должны быть следующими: R=21,5 нм, r=18,5 нм, H=3,1 нм, при этом размер (R-r)/2 меньше средней длины свободного пробега электронов в наночастицах золота, а все размеры нанокольца намного меньше глубины скин-слоя золота на частоте 2,45 ГГц.The calculations for the 2.45 GHz magnetron frequency showed the following sizes of nanobands: d = 3 nm, L = 100 nm, H = 3.1 nm, while the size d / 2 is less than the mean free path of electrons in gold nanoparticles (≈1, 7 nm), and all sizes of the nanoband are much smaller than the depth of the skin layer of gold at a frequency of 2.45 GHz (1.5 μm). Similarly, calculations showed that for nanorings, the sizes should be as follows: R = 21.5 nm, r = 18.5 nm, H = 3.1 nm, while the size (Rr) / 2 is less than the mean free path of electrons in the nanoparticles gold, and all sizes of the nanorings are much smaller than the depth of the skin layer of gold at a frequency of 2.45 GHz.
Использование источника ТГц излучения предлагаемой конструкции позволит удовлетворить острую потребность в аппаратуре для онкологических исследований и обеспечения безопасности.Using a THz radiation source of the proposed design will satisfy the urgent need for equipment for cancer research and safety.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016118933A RU2622093C9 (en) | 2016-05-13 | 2016-05-13 | Source of terahertz radiation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016118933A RU2622093C9 (en) | 2016-05-13 | 2016-05-13 | Source of terahertz radiation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2622093C1 RU2622093C1 (en) | 2017-06-09 |
RU2622093C9 true RU2622093C9 (en) | 2017-07-25 |
Family
ID=59032458
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016118933A RU2622093C9 (en) | 2016-05-13 | 2016-05-13 | Source of terahertz radiation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2622093C9 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2715892C1 (en) * | 2019-07-09 | 2020-03-04 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российская академия наук" | Solid-state electromagnetic radiation source and method of its manufacturing |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6697186B2 (en) * | 2000-08-30 | 2004-02-24 | Riken | Method and apparatus for generating tera-hertz wave |
JP2006216851A (en) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Electromagnetic wave generator |
US20100041559A1 (en) * | 2006-03-27 | 2010-02-18 | UC Argonne LLC | Tunable, superconducting, surface-emitting teraherz source |
US8228129B2 (en) * | 2008-11-06 | 2012-07-24 | Raytheon Company | Photonic crystal resonant defect cavities with nano-scale oscillators for generation of terahertz or infrared radiation |
US8542433B2 (en) * | 2011-12-20 | 2013-09-24 | Ngk Insulators, Ltd. | Electromagnetic wave oscillating devices and a method of producing the same |
US8581784B2 (en) * | 2006-03-29 | 2013-11-12 | Rwth Aachen University | THz antenna array, system and method for producing a THz antenna array |
RU2523746C1 (en) * | 2012-12-04 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Multielement terahertz radiation generator |
-
2016
- 2016-05-13 RU RU2016118933A patent/RU2622093C9/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6697186B2 (en) * | 2000-08-30 | 2004-02-24 | Riken | Method and apparatus for generating tera-hertz wave |
JP2006216851A (en) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Electromagnetic wave generator |
US20100041559A1 (en) * | 2006-03-27 | 2010-02-18 | UC Argonne LLC | Tunable, superconducting, surface-emitting teraherz source |
US8581784B2 (en) * | 2006-03-29 | 2013-11-12 | Rwth Aachen University | THz antenna array, system and method for producing a THz antenna array |
US8228129B2 (en) * | 2008-11-06 | 2012-07-24 | Raytheon Company | Photonic crystal resonant defect cavities with nano-scale oscillators for generation of terahertz or infrared radiation |
US8542433B2 (en) * | 2011-12-20 | 2013-09-24 | Ngk Insulators, Ltd. | Electromagnetic wave oscillating devices and a method of producing the same |
RU2523746C1 (en) * | 2012-12-04 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Multielement terahertz radiation generator |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2715892C1 (en) * | 2019-07-09 | 2020-03-04 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российская академия наук" | Solid-state electromagnetic radiation source and method of its manufacturing |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2622093C1 (en) | 2017-06-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10785858B2 (en) | Apparatus and methods for generating electromagnetic radiation | |
Wu et al. | Intense terahertz pulses from SLAC electron beams using coherent transition radiation | |
US7994472B2 (en) | Laser-driven deflection arrangements and methods involving charged particle beams | |
WO2015129668A1 (en) | Thermal-radiation light source and two-dimensional photonic crystal used therein | |
RU2622093C9 (en) | Source of terahertz radiation | |
Singh et al. | Microlensless interdigitated photoconductive terahertz emitters | |
RU2143773C1 (en) | Method and device for producing gamma-ray laser; method and device for shaping high- power coherent electron beam | |
Koral et al. | Multi-pass free electron laser assisted spectral and imaging applications in the terahertz/far-IR range using the future superconducting electron source BriXSinO | |
US20230300968A1 (en) | Light Source for High Power Coherent Light, Imaging System, and Method of Using Relativistic Electrons for Imaging and Treatment | |
Moldosanov et al. | A terahertz-vibration to terahertz-radiation converter based on gold nanoobjects: a feasibility study | |
Priebe et al. | First results from the Daresbury Compton backscattering X-ray source (COBALD) | |
WO1991002446A1 (en) | Inverse-compton scattering apparatus | |
RU2523746C1 (en) | Multielement terahertz radiation generator | |
Rathinasamy et al. | Interdigitated-slot photoconductive antenna for terahertz applications | |
RU2650343C1 (en) | Converter of terahertz vibrations into terahertz electromagnetic radiation | |
JP2012186430A (en) | Terahertz wave generation device | |
Friedman et al. | Generation of intense infrared radiation from an electron beam propagating through a rippled magnetic field | |
RU160986U1 (en) | MULTI-ELEMENT SMALL-SIZED EMITTER OF THERAHZ RADIATION GENERATOR | |
JP6432115B2 (en) | Potential generation method | |
Toth et al. | Powerful pulsed THz radiation from laser-accelerated relativistic electron bunches | |
JP4775253B2 (en) | Electromagnetic wave modulator | |
Moshkelgosha et al. | Generating High Efficiency Terahertz Radiation From Relativistic Nano-Bunches in the Interaction of Ultrarelativistic Lasers With Thin Solid Targets | |
JP6829517B2 (en) | Infrared light element | |
RU2642119C2 (en) | Terahertz-infrared converter for visualization of sources of terahertz radiation | |
Kalkal et al. | Terahertz radiation source using an industrial electron linear accelerator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TH4A | Reissue of patent specification | ||
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A - IN JOURNAL: 16-2017 FOR TAG: (72) |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180514 |