1. Обзор терагерцовой (ТГц) технологии.

Терагерцовые волны относятся к электромагнитным волнам с частотами от 0,1 до 10 ТГц (длина волны 30 мкм-3 мм), между микроволновыми и инфракрасными волнами, и когда-то были известны как «ТГц-разрыв» из-за технологических ограничений. Его основные особенности включают в себя:

(1) Низкая энергия фотонов: только на уровне миллиэлектронвольт, без риска ионизирующего излучения, подходит для биологического обнаружения живых существ.

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

(3) Спектр молекулярных отпечатков пальцев: уровни колебательной/вращательной энергии органических макромолекул (таких как ДНК и взрывчатые вещества) находятся в ТГц диапазоне, что позволяет определить состав вещества.

(4) Высокое разрешение: пространственное разрешение достигает субмиллиметрового уровня (например, разрешение царапин на поверхности резервуара размером 3,5 см), а временное разрешение достигает пикосекундного уровня.

2、 Характеристики и технические принципы суперполусферной линзы из плавленого кремния в зоне высокого сопротивления (HRFZ Si).

Характеристики материала

-Высокое сопротивление (>1 кОм·см): очищенный методом зонной плавки, концентрация примесей<10¹² см⁻³, существенно снижающее поглощение свободных носителей в терагерцовом диапазоне, с коэффициентом пропускания >50% (1 ТГц), тогда как обычный кремний имеет коэффициент пропускания<20% за счет поглощения носителей.

-Широкополосный коэффициент пропускания: охват 0,1–1000 мкм (от ближнего инфракрасного до миллиметрового диапазона), особенно 0,35–2,5 мкм с коэффициентом пропускания>85%.

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

Проектирование оптической структуры

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

-Управление волновым фронтом: традиционная линза должна быть оснащена параболическим зеркалом для вторичной фокусировки, в то время как структура суперполусферы может напрямую сводить расходящиеся сферические волны в конические волны под небольшим углом (угол расхождения 34 °), упрощая оптический путь.

Технические узкие места и улучшения

-Потери на отражение: кремниевый воздушный интерфейс имеет высокую отражательную способность и требует покрытия терагерцовой пленкой с высоким коэффициентом пропускания (например, поли (п-ксилол)) для увеличения коэффициента пропускания до ≥ 90%.

-Комплексная замена: новая диэлектрическая метаповерхностная линза (состоящая из массивов кремниевых микростолбиков с высоким сопротивлением) имеет толщину всего 150 мкм и непосредственно интегрируется в поверхность антенны, заменяя традиционные громоздкие линзы.

3、 Области применения

(1) Связь и передача терагерцовых волн

-Интеграция антенны: в качестве связующего элемента фотопроводящей антенны (PCA) он коллимирует расходящиеся сферические волны в квазиплоские волны, повышая эффективность передачи сигнала.

-Волоконно-оптическая связь: используется для линз на торцевой поверхности ТГц оптоволокна для уменьшения потерь на отражение интерфейса и поддержки спутниковой связи 6G (теоретическая скорость 10 ГБ/с).

(2) Изображение с высоким разрешением

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

-Биомедицина: раннее выявление кариеса зубов (с повышением точности на 80% по сравнению с рентгеновскими лучами), выявление тканей рака кожи.

-Военное обнаружение: выявление замаскированных целей в среде пыли/дыма и обнаружение деятельности человека с помощью радара, проникающего через стены.

(3) Астрономия и научные исследования

-Обнаружение ТГц-излучения, такого как молекулы углерода и воды во Вселенной, чтобы заполнить пробел в наземных наблюдениях.

4. Отличие от обычной кремниевой суперполусферической линзы.

Основные различия:

Кремний с высоким сопротивлением очищается зонной плавкой для уменьшения примесей, тогда как обычный кремний (например, рост CZ) содержит примеси кислорода и углерода, которые усугубляют потери; Его высокое удельное сопротивление напрямую подавляет поглощение терагерцовых волн, в то время как обычный кремний испытывает резкое падение коэффициента пропускания из-за высокой концентрации носителей.

 Подвести итог

Терагерцовая технология имеет огромный потенциал в области визуализации, связи и военной промышленности благодаря ее безопасному проникновению и возможностям молекулярного распознавания отпечатков пальцев; В качестве основного оптического компонента гиперполусферическая линза из плавленого кремния с высоким сопротивлением решает проблему эффективной связи терагерцовых волн через материалы с низкими потерями и гиперполусферические структуры. Будущие тенденции включают в себя:

-Интеграция: линзы Metasurface заменяют традиционную объемную оптику для достижения ТГц-систем уровня чипа;

-Интеллект: объединение искусственного интеллекта для оптимизации алгоритмов визуализации (например, 3D-реконструкция культурных реликвий Саньсиндуй);

-Многофункциональность: настраиваемый объектив расширяет возможности применения ТГц в таких сценариях, как биологическое обнаружение in vivo и динамическое управление лучом 6G.