Электромагнитное излучение терагерцового диапазона представляет собой неионизирующее проникающее излучение, одинаково хорошо проходящее через ткани живого организма и многие виды материалов искусственного и естественного происхождения. Такой вид излучения имеет огромные перспективы использования в медицине для диагностики различных заболеваний, в системах безопасности, способных обнаружить скрытое оружие и взрывчатые вещества, и в промышленности для выявления скрытых дефектов в производимой продукции. Но началу широкого практического использования терагерцового излучения мешает целый ряд трудностей технического плана, некоторые из которых не преодолены и по сегодняшний день.

К терагерцовому диапазону относятся электромагнитные волны, частота которых лежит в промежутке между 300 и 3000 гигагерц, между микроволновым и длинноволновым инфракрасным диапазонами. В силу множества причин различного плана этот диапазон очень долго оставался белым пятном всего электромагнитного спектра, а это, в свою очередь, послужило причиной того, что и сейчас современная наука страдает от отсутствия эффективных излучателей, датчиков и методов детектирования терагерцовых волн. Все датчики, работающие в терагерцовом диапазоне, требуют охлаждения до криогенных температур или использования чрезвычайно сложных оптико-электронных систем.

Кроме этого, существующие датчики обладают крайне низким быстродействием и не могут регистрировать быстроизменяющиеся импульсы терагерцового излучения.

«Для практического применения людям необходимы компактные терагерцовые системы, способные работать при комнатной температуре. Кроме этого, такие системы должны иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие, что позволит им работать в режиме реального времени» – рассказывает Л. Джей Гуо, профессор из Мичиганского университета, группа которого разработала достаточно простой метод детектирования импульсов терагерцового излучения.

Ученые изготовили сложный материал, представляющий собой смесь из углеродных нанотрубок и специальной силиконовой резины, датчик из которого улавливает терагерцовые импульсы, преобразует их в звуковые колебания, которые, в свою очередь, регистрируются чувствительным акустическим датчиком.

Новый терагерцовый датчик работает при помощи фотоакустического эффекта, который заключается в формировании звуковых волн генерируемых определенным материалом, деформирующимся под воздействием тепла, вызванного нагревом от поглощения световых импульсов. Материалом, имеющим высокую поглощающую способность в терагерцовом диапазоне являются углеродные нанотрубки, которые, поглощая излучение, нагреваются до высокой температуры. Выделяющееся тепло нагревает силиконовую резину, имеющую одно из самых высоких значений коэффициента температурного расширения, резина деформируется в соответствии с уровнем нагрева нанотрубок и ее поверхность излучает звуковые колебания.

К сожалению, самые чувствительные акустические датчики, используемые в медицинской ультразвуковой диагностике, не обладают достаточным быстродействием и чувствительностью, необходимыми для детектирования вторичных акустических колебаний, вызванных импульсами терагерцовых волн. Поэтому исследователям пришлось создать свой собственный широкополосный акустический детектор. Он представляет собой крошечное оптическое устройство, снабженной микроскопическим кольцевым резонатором, изготовленным из специального полимера.

Этот резонатор колеблется на собственной резонансной частоте, но любая звуковая волна становится причиной изменения частоты колебаний, что регистрируется при помощи луча лазера, отражаемого от поверхности кольца.

Вышеописанная технология детектирования терагерцовых волн и последовательности их дальнейшего преобразования может показаться кому-то весьма сложной. На самом деле конструкция устройства в целом достаточно проста и малогабаритна.

Датчик, включающий кольцевой резонатор, имеет габариты порядка 100 микрометров и он обеспечивает скорость реакции на изменения терагерцового сигнала порядка 100 наносекунд, чего вполне достаточно для создания сканирующих терагерцовых систем, работающих в режиме реального времени. А множество таких датчиков, собранных в единую матрицу, могут обеспечить воссоздание достаточно качественной картинки.