1. Обзор терагерцовой (ТГц) технологии

Терагерцовые волны — это электромагнитные волны с частотой от 0,1 до 10 ТГц (длина волны 30 мкм — 3 мм), находящиеся между микроволновым и инфракрасным диапазонами, и ранее известные как «терагерцовый разрыв» из-за технологических ограничений. К их основным характеристикам относятся:

(1) Низкая энергия фотонов: Только на уровне миллиэлектронвольт, без риска ионизирующего излучения, подходит для обнаружения живых биологических организмов.

(2) Высокая проницаемость: Он может проникать в неполярные материалы, такие как пластмассы, керамика и ткани, но сильно отражает металлы и сильно поглощается молекулами воды.

(3) Спектр молекулярного отпечатка: колебательные/вращательные энергетические уровни органических макромолекул (таких как ДНК и взрывчатые вещества) находятся в ТГц-диапазоне, что позволяет идентифицировать состав вещества.

(4) Высокое разрешение: пространственное разрешение достигает уровня менее миллиметра (например, различение царапин на поверхности резервуара на расстоянии 3,5 см), а временное разрешение достигает уровня пикосекунд.

2. Характеристики и технические принципы сверхполусферической линзы из высокоомного зонно-плавленого кремния (HRFZ Si).

Характеристики материала

- Высокое удельное сопротивление (>1 кОм·см): очищено методом зонной плавки, концентрация примесей <10¹² см⁻³, что значительно снижает поглощение свободными носителями заряда в терагерцовом диапазоне, с коэффициентом пропускания >50% (1 ТГц), в то время как обычный кремний имеет коэффициент пропускания <20% из-за поглощения носителями заряда.

-Широкий диапазон пропускания: от 0,1 до 1000 мкм (от ближнего инфракрасного до миллиметрового диапазона), особенно в диапазоне 0,35–2,5 мкм с коэффициентом пропускания > 85%.

- Высокий показатель преломления (n ≈ 3,45): Оптимизирует эффективность фокусировки терагерцовых волн и повышает возможности оптической связи.

Проектирование оптической структуры

-Сверхполусферическая кривизна: радиус кривизны больше, чем у полусферы, что обеспечивает больший угол сбора света и меньшее фокусное расстояние, уменьшая сферическую аберрацию.

-Управление волновым фронтом: традиционная линза требует использования параболического зеркала для вторичной фокусировки, в то время как суперполусферическая структура позволяет напрямую объединять расходящиеся сферические волны в конические волны с малым углом расходимости (34°), упрощая оптический путь.

Технические узкие места и пути их устранения

-Потери на отражение: интерфейс кремний-воздух обладает высокой отражательной способностью и требует нанесения покрытия из высокопрозрачной терагерцовой пленки (например, поли(п-ксилена)) для увеличения пропускания до ≥ 90%.

- Интегрированная замена: новая диэлектрическая метаповерхностная линза (состоящая из массивов высокоомных кремниевых микростолбиков) имеет толщину всего 150 мкм и непосредственно интегрирована на поверхность антенны, заменяя традиционные громоздкие линзы.

3. Области применения

(1) Связь и передача терагерцовых волн

- Интеграция антенны: В качестве соединительного элемента фотопроводящей антенны (ФПАН) она коллимирует расходящиеся сферические волны в квазиплоские волны, повышая эффективность передачи сигнала.

- Волоконно-оптическая связь: используется для линз на торцах терагерцовых волокон для уменьшения потерь на отражение в интерфейсе и поддержки спутниковой связи 6G (теоретическая скорость 10 ГБ/с).

(2) Изображение высокого разрешения

- Проверка безопасности и контроль качества: проникновение через пластик и бумагу для обнаружения взрывчатых веществ и наркотиков внутри упаковок (в сочетании с библиотекой терагерцовых отпечатков).

- Биомедицинские методы: раннее выявление кариеса (с повышением точности на 80% по сравнению с рентгеновскими снимками), идентификация раковых клеток кожи.

- Военное обнаружение: выявление замаскированных целей в условиях запыленности/задымления и обнаружение человеческой деятельности с помощью радара, проникающего сквозь стены.

(3) Астрономия и научные исследования

— Обнаружение терагерцового излучения, такого как излучение молекул углерода и воды во Вселенной, для восполнения пробела в наземных наблюдениях.

4. Отличие от обычной кремниевой суперполусферической линзы

Основные отличия:

Кремний с высоким сопротивлением очищается методом зонной плавки для уменьшения количества примесей, в то время как обычный кремний (например, полученный методом Чохральского) содержит примеси кислорода и углерода, которые усугубляют потери; его высокое удельное сопротивление напрямую подавляет поглощение терагерцовых волн, а в обычном кремнии наблюдается резкое падение пропускания из-за высокой концентрации носителей заряда.

 Подведите итоги

Терагерцовые технологии обладают огромным потенциалом в области визуализации, связи и военной промышленности благодаря возможности безопасного проникновения и распознавания молекулярных отпечатков пальцев; в качестве основного оптического компонента гиперполусферическая линза из плавленого кремния с высоким сопротивлением решает проблему эффективного сопряжения терагерцовых волн за счет использования материалов с низкими потерями и гиперполусферических структур. К будущим тенденциям относятся:

- Интеграция: Метаповерхностные линзы заменяют традиционную объемную оптику для создания терагерцовых систем на уровне чипа;

- Интеллект: Объединение ИИ для оптимизации алгоритмов обработки изображений (например, 3D-реконструкция культурных памятников Саньсиндуи);

- Многофункциональность: Настраиваемая линза расширяет область применения ТГц-излучения в таких сценариях, как прижизненное биологическое исследование и динамическое управление лучом в системах 6G.