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radiación de terahercios

Las ondas de terahercios se sitúan mayoritariamente en el extremo más alejado de la banda infrarroja, siendo las más largas de la banda de microondas. La radiación de terahercio...

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Las ondas de terahercios se sitúan mayoritariamente en el extremo más alejado de la banda infrarroja, siendo las más largas de la banda de microondas.

La radiación de terahercios , también conocida como radiación submilimétrica , ondas de terahercios , frecuencia tremendamente alta [ 1 ] ( THF ), rayos T , ondas T , luz T , lux T o THz  , consiste en ondas electromagnéticas dentro de la banda de frecuencias designada por la Unión Internacional de Telecomunicaciones de 0,1 a 10 terahercios (THz), [ 2 ] (de 0,3 a 3 terahercios (THz) en textos más antiguos, [ 3 ] que ahora se denomina "ondas decimilimétricas" [ 4 ] ), aunque el límite superior es algo arbitrario y algunas fuentes lo han considerado de 30 THz. [ 5 ]   

Un terahercio es 10¹² Hz o 1000 GHz. Las longitudes de onda de la radiación en la banda decimilimétrica varían correspondientemente de 1 mm a 0,1 mm = 100 μm y las de la banda de terahercios de 3 mm = 3000 μm a 30 μm. Debido a que la radiación de terahercios comienza en una longitud de onda de alrededor de 1 milímetro y continúa hacia longitudes de onda más cortas, a veces se la conoce como la banda submilimétrica , y su radiación como ondas submilimétricas , especialmente en astronomía . Esta banda de radiación electromagnética se encuentra dentro de la región de transición entre microondas e infrarrojo lejano y puede considerarse como cualquiera de las dos.         

En comparación con las radiofrecuencias más bajas, la radiación de terahercios es fuertemente absorbida por los gases de la atmósfera y, en el aire, la mayor parte de la energía se atenúa en pocos metros, [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] por lo que no es práctica para la comunicación radioeléctrica terrestre de larga distancia . Puede penetrar capas delgadas de materiales, pero es bloqueada por objetos más gruesos. Los haces de THz transmitidos a través de materiales pueden utilizarse para la caracterización de materiales , la inspección de capas, la medición del relieve, [ 9 ] y como una alternativa de menor energía a los rayos X para producir imágenes de alta resolución del interior de objetos sólidos. [ 10 ]

La radiación de terahercios ocupa un punto intermedio donde se superponen los rangos de microondas y ondas infrarrojas , conocido como la " brecha de terahercios ". Se denomina así porque la tecnología para su generación y manipulación aún está en sus inicios. La generación y modulación de ondas electromagnéticas en este rango de frecuencias ya no es posible con los dispositivos electrónicos convencionales utilizados para generar ondas de radio y microondas, lo que exige el desarrollo de nuevos dispositivos y técnicas.

Descripción

En los sistemas THz-TDS, dado que se dispone de la versión en el dominio del tiempo de la señal THz, se pueden suprimir los efectos de distorsión de la difracción. [ 11 ]

La radiación de terahercios se sitúa entre la radiación infrarroja y la radiación de microondas en el espectro electromagnético , y comparte algunas propiedades con ambas. La radiación de terahercios viaja en línea recta y no es ionizante . Al igual que las microondas, la radiación de terahercios puede penetrar una amplia variedad de materiales no conductores : ropa, papel, cartón , madera, mampostería , plástico y cerámica . La profundidad de penetración suele ser menor que la de la radiación de microondas. Al igual que la radiación infrarroja, la radiación de terahercios tiene una penetración limitada a través de la niebla y las nubes , y no puede penetrar el agua líquida ni el metal. [ 12 ] La radiación de terahercios puede penetrar cierta distancia a través del tejido corporal, como los rayos X, pero a diferencia de estos, no es ionizante , por lo que resulta interesante como sustituto de los rayos X médicos. Debido a su mayor longitud de onda, las imágenes obtenidas con ondas de terahercios tienen menor resolución que las obtenidas con rayos X y necesitan ser mejoradas (véase la figura de la derecha). [ 11 ]

La atmósfera terrestre absorbe fuertemente la radiación de terahercios, por lo que su alcance en el aire se limita a decenas de metros, lo que la hace inadecuada para comunicaciones de larga distancia. Sin embargo, a distancias de aproximadamente 10  metros, la banda aún puede ofrecer muchas aplicaciones útiles en la obtención de imágenes y la construcción de sistemas de redes inalámbricas de alto ancho de banda , especialmente en interiores. Además, la producción y detección de radiación de terahercios coherente sigue siendo un desafío técnico, aunque actualmente existen fuentes comerciales económicas en el rango de 0,3 a 1,0  THz (la parte inferior del espectro), como girotrones , osciladores de onda inversa y diodos de tunelización resonante . Debido a la baja energía de los fotones de THz, los dispositivos de THz actuales requieren bajas temperaturas durante su funcionamiento para suprimir el ruido ambiental. Por ello, se han realizado grandes esfuerzos en la investigación de THz para mejorar la temperatura de funcionamiento, utilizando diferentes estrategias, como los metadispositivos optomecánicos. [ 13 ] [ 14 ]

Fuentes

Natural

La radiación de terahercios se emite como parte de la radiación de cuerpo negro de cualquier objeto con una temperatura superior a unos 2 kelvin . Si bien esta emisión térmica es muy débil, las observaciones en estas frecuencias son importantes para caracterizar el polvo cósmico frío de 10 a 20 K en las nubes interestelares de la Vía Láctea y en galaxias distantes con brotes de formación estelar .  

Entre los telescopios que operan en esta banda se encuentran el Telescopio James Clerk Maxwell , el Observatorio Submilimétrico de Caltech y el Conjunto Submilimétrico del Observatorio de Mauna Kea en Hawái, el telescopio transportado por globo BLAST , el Observatorio Espacial Herschel , el Telescopio Submilimétrico Heinrich Hertz del Observatorio Internacional Mount Graham en Arizona y el Conjunto Milimétrico Grande de Atacama . Debido al espectro de absorción atmosférica de la Tierra, la opacidad de la atmósfera a la radiación submilimétrica limita la ubicación de estos observatorios a lugares de gran altitud o al espacio. [ 15 ] [ 16 ]

Artificial

Mecanismo de excitación dipolar de dendrímeros (DDE): el efecto Rahman-Tomalia.

A partir de 2012, fuentes viables de radiación de terahercios son el girotrón , el oscilador de onda inversa ("BWO"), el láser de infrarrojo lejano de gas molecular , multiplicadores de diodo Schottky , [ 17 ] multiplicadores de varactor ( varicap ), láser de cascada cuántica , [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] el láser de electrones libres , fuentes de luz de sincrotrón , fuentes de fotomezcla , fuentes de ciclo único o pulsadas utilizadas en espectroscopia de dominio temporal de terahercios, como emisores fotoconductores, de campo superficial, foto-Dember y de rectificación óptica , [ 22 ] y osciladores electrónicos basados ​​en diodos de tunelización resonante que han demostrado operar hasta 1,98  THz. [ 23 ] A la derecha, imagen del mecanismo de excitación dipolar de dendrímero (DDE) para emisor de banda ancha de 30 THz utilizado para imágenes y espectroscopia 3D subnanométricas. [ 24 ]

También existen fuentes de estado sólido para ondas milimétricas y submilimétricas desde hace muchos años. AB Millimeter, en París, por ejemplo, fabrica un sistema que cubre todo el rango de 8  GHz a 1000  GHz con fuentes y detectores de estado sólido. Actualmente, la mayor parte del trabajo en el dominio del tiempo se realiza mediante láseres ultrarrápidos.

A mediados de 2007, científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. , junto con colaboradores en Turquía y Japón, anunciaron la creación de un dispositivo compacto que podría dar lugar a fuentes portátiles de radiación de terahercios alimentadas por baterías. [ 25 ] El dispositivo utiliza cristales superconductores de alta temperatura, cultivados en la Universidad de Tsukuba en Japón. Estos cristales están compuestos por pilas de uniones Josephson , que exhiben una propiedad conocida como efecto Josephson : cuando se aplica un voltaje externo, fluye una corriente alterna a través de las uniones a una frecuencia proporcional al voltaje. Esta corriente alterna induce un campo electromagnético . Un pequeño voltaje (alrededor de dos milivoltios por unión) puede inducir frecuencias en el rango de terahercios.

En 2008, ingenieros de la Universidad de Harvard lograron la emisión a temperatura ambiente de varios cientos de nanovatios de radiación de terahercios coherente utilizando una fuente semiconductora. La radiación de THz se generó mediante la mezcla no lineal de dos modos en un láser de cascada cuántica de infrarrojo medio . Las fuentes anteriores requerían refrigeración criogénica, lo que limitaba enormemente su uso en aplicaciones cotidianas. [ 26 ]

En 2009, se descubrió que el acto de despegar cinta adhesiva genera radiación de terahercios no polarizada, con un pico estrecho a 2  THz y un pico más ancho a 18  THz. El mecanismo de su creación es la tribocarga de la cinta adhesiva y la posterior descarga; se hipotetizó que esto implicaba bremsstrahlung con absorción o enfoque de densidad de energía durante la ruptura dieléctrica de un gas. [ 27 ]

En 2013, investigadores del Laboratorio de Redes Inalámbricas de Banda Ancha del Instituto Tecnológico de Georgia y de la Universidad Politécnica de Cataluña desarrollaron un método para crear una antena de grafeno : una antena que se moldearía en tiras de grafeno de entre 10 y 100  nanómetros de ancho y un micrómetro de largo. Dicha antena podría utilizarse para emitir ondas de radio en el rango de frecuencias de terahercios. [ 28 ] [ 29 ]

brecha de terahercios

Hasta la fabricación en 2008 de un emisor de excitación de dendrímero dipolar electroóptico (EO DDE [ 30 ] ), no existían tecnologías prácticas para generar y detectar radiación en una banda de frecuencia en la región de THz, conocida como la " brecha de terahercios" . Esta brecha se ha definido previamente como de 0,1 a 10  THz ( longitudes de onda de 3  mm a 30  μm) aunque el límite superior es considerado por algunas fuentes como 30  THz (una longitud de onda de 10  μm). [ 31 ] Hasta la implementación de DDE [ 30 ] en 2008 por Applied Research & Photonics (ARP) Inc., las frecuencias dentro del rango de 0,1 a 30 THz, la generación de energía útil y las tecnologías de recepción eran ineficientes e inviables. Desde 2008, ARP ha fabricado comercialmente herramientas de espectroscopia e imágenes 3D con resolución subnanométrica, conocidas como TeraSpectra.

La producción en masa de dispositivos en este rango y su funcionamiento a temperatura ambiente (donde la energía kT es igual a la energía de un fotón con una frecuencia de 6,2  THz) resultan en su mayoría poco prácticos. Esto deja una brecha entre las tecnologías de microondas maduras en las frecuencias más altas del espectro radioeléctrico y la ingeniería óptica bien desarrollada de los detectores infrarrojos en sus frecuencias más bajas. Esta radiación se utiliza principalmente en aplicaciones especializadas a pequeña escala, como la astronomía submilimétrica . Desde finales del siglo XX se han realizado investigaciones para intentar resolver este problema  . [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]

En 2024, investigadores alemanes publicaron un experimento [ 37 ] en el que se realizó un experimento TDLAS a 4,75 THz con "calidad infrarroja" utilizando un receptor piroeléctrico sin refrigeración. La fuente de THz fue un láser DFB-QC de onda continua que operaba a 43,3 K, con corrientes láser entre 480 mA y 600 mA.

Cierre de la brecha de terahercios

Véase DDE [ 30 ] como excepción a: "La mayoría de los dispositivos electrónicos de vacío que se utilizan para la generación de microondas pueden modificarse para operar en frecuencias de terahercios, incluyendo el magnetrón, [ 38 ] el girotrón, [ 39 ] el sincrotrón, [ 40 ] y el láser de electrones libres. [ 41 ] " De manera similar, los detectores de microondas como el diodo túnel se han rediseñado para detectar también en frecuencias de terahercios [ 42 ] e infrarrojas [ 43 ] . Sin embargo, muchos de estos dispositivos están en forma de prototipo, no son compactos o existen en laboratorios de investigación universitarios o gubernamentales, sin el beneficio de los ahorros de costos debido a la producción en masa.

Investigación

Biología molecular

La radiación de terahercios tiene frecuencias comparables al movimiento de los sistemas biomoleculares durante su funcionamiento (una frecuencia de 1 THz equivale a una escala de tiempo de 1 picosegundo; por lo tanto, el rango de cientos de GHz hasta valores bajos de THz es comparable a las escalas de tiempo de relajación biomolecular de unos pocos ps a unos pocos ns). Por consiguiente, es posible modular la función biológica y neurológica utilizando radiación en el rango de cientos de GHz hasta unos pocos THz a energías relativamente bajas (sin calentamiento ni ionización significativos), logrando efectos beneficiosos o perjudiciales. [ 44 ] [ 45 ]

Imágenes médicas

A diferencia de los rayos X , la radiación de terahercios no es radiación ionizante y sus bajas energías fotónicas generalmente no dañan los tejidos vivos ni el ADN . Algunas frecuencias de radiación de terahercios pueden penetrar varios milímetros de tejido con bajo contenido de agua (por ejemplo, tejido graso) y reflejarse. La radiación de terahercios también puede detectar diferencias en el contenido de agua y la densidad de un tejido. Estos métodos podrían permitir la detección eficaz del cáncer epitelial con un sistema de imágenes seguro, no invasivo e indoloro. [ 46 ] En respuesta a la demanda de detección de COVID-19, la espectroscopia e imágenes de terahercios se han propuesto como una herramienta de detección rápida. [ 47 ] [ 48 ]

Las primeras imágenes generadas mediante radiación de terahercios datan de la década de 1960; sin embargo, en 1995, las imágenes generadas mediante espectroscopia de dominio temporal de terahercios generaron un gran interés.

Algunas frecuencias de radiación de terahercios pueden utilizarse para obtener imágenes 3D de los dientes y pueden ser más precisas que las imágenes de rayos X convencionales en odontología .

Seguridad

La radiación de terahercios puede penetrar telas y plásticos, por lo que puede utilizarse en vigilancia , como el control de seguridad , para descubrir armas ocultas en una persona, de forma remota. Esto es de particular interés porque muchos materiales de interés tienen "huellas dactilares" espectrales únicas en el rango de terahercios. Esto ofrece la posibilidad de combinar la identificación espectral con la obtención de imágenes. En 2002, el equipo Star Tiger de la Agencia Espacial Europea (ESA), [ 49 ] con sede en el Laboratorio Rutherford Appleton (Oxfordshire, Reino Unido), produjo la primera imagen pasiva de terahercios de una mano. [ 50 ] Para 2004, ThruVision Ltd, una empresa derivada del Consejo para el Laboratorio Central de los Consejos de Investigación (CCLRC) Laboratorio Rutherford Appleton, había demostrado la primera cámara THz compacta del mundo para aplicaciones de control de seguridad. El sistema prototipo obtuvo imágenes de armas y explosivos ocultos bajo la ropa. [ 51 ] La detección pasiva de firmas de terahercios evita las preocupaciones sobre la privacidad corporal de otros métodos de detección al dirigirse a un rango muy específico de materiales y objetos. [ 52 ] [ 53 ]

En enero de 2013, el NYPD anunció planes para experimentar con la nueva tecnología para detectar armas ocultas , [ 54 ] lo que llevó al bloguero y activista por la privacidad de Miami, Jonathan Corbett, a presentar una demanda contra el departamento en el tribunal federal de Manhattan ese mismo mes, impugnando dicho uso: "Durante miles de años, los humanos han usado ropa para proteger su modestia y han tenido, con toda razón, la expectativa de privacidad para cualquier cosa que se encuentre dentro de su ropa, ya que ningún ser humano puede ver a través de ella". Solicitó una orden judicial para prohibir el uso de la tecnología sin sospecha razonable o causa probable. [ 55 ] A principios de 2017, el departamento dijo que no tenía intención de usar jamás los sensores que les había proporcionado el gobierno federal. [ 56 ]

Uso científico e imágenes

Además de su uso actual en la astronomía submilimétrica , la espectroscopia de radiación de terahercios podría proporcionar nuevas fuentes de información para la química y la bioquímica . [ 57 ]

Los métodos de espectroscopia de dominio temporal de terahercios (THz-TDS) y tomografía de terahercios, desarrollados recientemente, han demostrado ser capaces de obtener imágenes de muestras opacas en las regiones visible e infrarroja cercana del espectro. La utilidad de la THz-TDS es limitada cuando la muestra es muy delgada o tiene una baja absorbancia , ya que resulta muy difícil distinguir los cambios en el pulso de terahercios causados ​​por la muestra de aquellos causados ​​por fluctuaciones a largo plazo en la fuente láser o el experimento. Sin embargo, la THz-TDS produce radiación coherente y de amplio espectro, por lo que dichas imágenes pueden contener mucha más información que una imagen convencional formada con una fuente de frecuencia única.

Las ondas submilimétricas se utilizan en física para estudiar materiales en campos magnéticos intensos, ya que a campos elevados (superiores a unos 11 teslas ), las frecuencias de Larmor del espín electrónico se encuentran en la banda submilimétrica. Muchos laboratorios de campos magnéticos intensos realizan estos experimentos de resonancia paramagnética electrónica (RPE ) de alta frecuencia , como el Laboratorio Nacional de Campos Magnéticos Intensos (NHMFL) en Florida. 

La radiación de terahercios podría permitir a los historiadores del arte ver murales ocultos bajo capas de yeso o pintura en edificios centenarios, sin dañar las obras de arte. [ 58 ]

Además, se ha realizado la obtención de imágenes en el rango de terahercios con antenas de lente para capturar la imagen de radio del objeto. [ 59 ] [ 60 ]

aceleradores de partículas

Los nuevos tipos de aceleradores de partículas que podrían alcanzar gradientes de aceleración de varios gigaelectronvoltios por metro (GeV/m) son de suma importancia para reducir el tamaño y el costo de las futuras generaciones de colisionadores de alta energía, así como para proporcionar una amplia disponibilidad de tecnología de aceleradores compactos a laboratorios más pequeños en todo el mundo. Se han alcanzado gradientes del orden de 100 MeV/m mediante técnicas convencionales y están limitados por la ruptura del plasma inducida por RF. [ 61 ] Los aceleradores de estela dieléctrica impulsados ​​por haz (DWA) [ 62 ] [ 63 ] operan típicamente en el rango de frecuencia de terahercios, lo que empuja el umbral de ruptura del plasma para campos eléctricos superficiales al rango de varios GV/m. [ 64 ] La técnica DWA permite acomodar una cantidad significativa de carga por paquete y da acceso a técnicas de fabricación convencionales para las estructuras aceleradoras. Hasta la fecha se han logrado gradientes de aceleración de 0,3 GeV/m y de desaceleración de 1,3 GeV/m [ 65 ] utilizando una guía de ondas revestida de dieléctrico con una apertura transversal submilimétrica.

Un gradiente de aceleración mayor que 1 GeV/m puede producirse potencialmente mediante el mecanismo radiativo de Cherenkov-Smith-Purcell [ 66 ] [ 67 ] en un capilar dieléctrico con un radio interno variable. Cuando un haz de electrones se propaga a través del capilar, su campo propio interactúa con el material dieléctrico y produce campos de estela que se propagan dentro del material en el ángulo de Cherenkov. Los campos de estela se ralentizan por debajo de la velocidad de la luz, ya que la permitividad dieléctrica relativa del material es mayor que 1. La radiación se refleja entonces en el límite metálico del capilar y se difracta de vuelta a la región de vacío, produciendo campos de alta aceleración en el eje del capilar con una firma de frecuencia distintiva. En presencia de un límite periódico, la radiación de Smith-Purcell impone dispersión de frecuencia.

Un estudio preliminar con capilares corrugados ha mostrado alguna modificación en el contenido espectral y la amplitud de los campos de estela generados, [ 68 ] pero la posibilidad de utilizar el efecto Smith-Purcell en DWA todavía está en consideración.

Comunicación

La alta absorción atmosférica de las ondas de terahercios limita el alcance de la comunicación con los transmisores y antenas existentes a decenas de metros. Sin embargo, el enorme ancho de banda no asignado disponible en la banda (diez veces el ancho de banda de la banda de ondas milimétricas , 100 veces el de la banda de microondas SHF ) la hace muy atractiva para la transmisión de datos y el uso en redes en el futuro. Existen enormes dificultades para extender el alcance de la comunicación de THz a través de la atmósfera, pero la industria mundial de las telecomunicaciones está financiando mucha investigación para superar esas limitaciones. [ 69 ] Un área de aplicación prometedora es el estándar inalámbrico y de telefonía móvil 6G , que reemplazará al estándar 5G actual alrededor de 2030. [ 69 ] En particular, se espera que 6G aproveche tecnologías avanzadas como las comunicaciones de terahercios y dúplex completo (FD), combinadas con el uso compartido dinámico del espectro para satisfacer la creciente demanda de mayores velocidades de datos y una mayor eficiencia del espectro. [ 70 ]

Para una apertura de antena dada, la ganancia de las antenas directivas aumenta con el cuadrado de la frecuencia, mientras que para transmisores de baja potencia la eficiencia de potencia es independiente del ancho de banda. Por lo tanto, la teoría del factor de consumo de los enlaces de comunicación indica que, contrariamente a la sabiduría de ingeniería convencional, para una apertura fija es más eficiente en bits por segundo por vatio usar frecuencias más altas en el rango de ondas milimétricas y terahercios. [ 69 ] Las antenas directivas pequeñas de unos pocos centímetros de diámetro pueden producir haces de radiación THz muy estrechos, y los conjuntos de antenas en fase podrían concentrar prácticamente toda la potencia de salida en la antena receptora, permitiendo la comunicación a distancias mayores.

En mayo de 2012, un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Tokio [ 71 ] publicó en Electronics Letters que había establecido un nuevo récord para la transmisión inalámbrica de datos utilizando rayos T y propuso que se utilizaran como ancho de banda para la transmisión de datos en el futuro. [ 72 ] El dispositivo de prueba de concepto del equipo utilizó un oscilador de resistencia negativa de diodo de túnel resonante (RTD) para producir ondas en la banda de terahercios. Con este RTD, los investigadores enviaron una señal a 542 GHz, lo que resultó en una tasa de transferencia de datos de 3 gigabits por segundo. [ 72 ] Duplicó el récord de tasa de transmisión de datos establecido en noviembre de 2011. [ 73 ] El estudio sugirió que el Wi-Fi que utiliza el sistema estaría limitado a aproximadamente 10 metros (33 pies) , pero podría permitir la transmisión de datos a hasta 100 Gbit/s. [ 72 ] En 2011, el fabricante japonés de componentes electrónicos Rohm y un equipo de investigación de la Universidad de Osaka produjeron un chip capaz de transmitir 1,5 Gbit /s utilizando radiación de terahercios. [ 74 ] En 2017, investigadores de la Universidad de Brown lograron transferir dos vídeos a una velocidad de 50 Gbit/s utilizando un multiplexor de terahercios, considerablemente más rápido que la velocidad de transferencia de las redes de datos celulares contemporáneas. [ 75 ]   

Existen posibles aplicaciones en las telecomunicaciones de gran altitud, por encima de las altitudes donde el vapor de agua provoca la absorción de la señal: de aeronave a satélite o de satélite a satélite.

radioaficionados

Varias administraciones permiten la experimentación con radioaficionados en el  rango de 275 a 3000 GHz o incluso en frecuencias más altas a nivel nacional, bajo condiciones de licencia que generalmente se basan en el RR5.565 del Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT . Los radioaficionados que utilizan frecuencias submilimétricas a menudo intentan establecer récords de distancia de comunicación bidireccional. En Estados Unidos , WA1ZMS y W4WWQ establecieron un récord de 1,42 kilómetros (0,88 millas) en 403 GHz usando CW (código Morse) el 21 de diciembre de 2004. En Australia , a 30 THz , las estaciones VK3CV y VK3LN lograron una distancia de 60 metros (200 pies) el 8 de noviembre de 2020. [ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]      

Fabricación

Se proponen muchos usos posibles de la detección e imagen de terahercios en la fabricación , el control de calidad y la monitorización de procesos . Estos, en general, aprovechan las propiedades de los plásticos y el cartón , que son transparentes a la radiación de terahercios, lo que permite inspeccionar productos empaquetados . El primer sistema de imagen basado en espectroscopia optoelectrónica de dominio temporal de terahercios fue desarrollado en 1995 por investigadores de los Laboratorios Bell de AT&T y se utilizó para producir una imagen de transmisión de un chip electrónico empaquetado. [ 79 ] Este sistema utilizaba haces láser pulsados ​​con una duración en el rango de picosegundos. Desde entonces, los sistemas de imagen de terahercios comerciales y de investigación de uso común han utilizado láseres pulsados ​​para generar imágenes de terahercios. La imagen se puede desarrollar en función de la atenuación o el retardo de fase del pulso de terahercios transmitido. [ 80 ]

Dado que el haz se dispersa más en los bordes y que los distintos materiales tienen diferentes coeficientes de absorción, las imágenes basadas en la atenuación indican los bordes y los diferentes materiales dentro de los objetos. Este enfoque es similar a la imagen por transmisión de rayos X , donde las imágenes se desarrollan en función de la atenuación del haz transmitido. [ 81 ]

En el segundo enfoque, las imágenes de terahercios se desarrollan en función del retardo temporal del pulso recibido. En este enfoque, las partes más gruesas de los objetos se reconocen bien, ya que las partes más gruesas causan un mayor retardo temporal del pulso. La energía de los puntos láser se distribuye mediante una función gaussiana . La geometría y el comportamiento del haz gaussiano en la región de Fraunhofer implican que los haces electromagnéticos divergen más a medida que disminuyen las frecuencias de los haces y, por lo tanto, la resolución disminuye. [ 82 ] Esto implica que los sistemas de imágenes de terahercios tienen una resolución más alta que el microscopio acústico de barrido (SAM) pero una resolución más baja que los sistemas de imágenes de rayos X. Aunque el terahercio se puede utilizar para la inspección de objetos empaquetados, sufre de baja resolución para inspecciones finas. En la figura de la derecha se muestran imágenes de rayos X e imágenes de terahercios de un chip electrónico. [ 83 ] Obviamente, la resolución de los rayos X es mayor que la de las imágenes de terahercios, pero los rayos X son ionizantes y pueden causar efectos nocivos en ciertos objetos, como semiconductores y tejidos vivos.

Para superar la baja resolución de los sistemas de terahercios, se están desarrollando sistemas de imágenes de terahercios de campo cercano. [ 84 ] [ 85 ] En las imágenes de campo cercano, el detector debe ubicarse muy cerca de la superficie del plano y, por lo tanto, la obtención de imágenes de objetos encapsulados gruesos puede no ser factible. En otro intento por aumentar la resolución, se utilizan haces láser con frecuencias superiores a los terahercios para excitar las uniones pn en objetos semiconductores; las uniones excitadas generan radiación de terahercios como resultado, siempre que sus contactos estén intactos y de esta manera se pueden detectar dispositivos dañados. [ 86 ] En este enfoque, dado que la absorción aumenta exponencialmente con la frecuencia, nuevamente la inspección de semiconductores encapsulados gruesos puede no ser factible. En consecuencia, se debe considerar un compromiso entre la resolución alcanzable y el espesor de penetración del haz en el material de encapsulado.

Investigación sobre la brecha de THz

Las investigaciones en curso han dado como resultado emisores (fuentes) y detectores mejorados , y la investigación en esta área se ha intensificado. Sin embargo, persisten inconvenientes como el tamaño considerable de los emisores, rangos de frecuencia incompatibles y temperaturas de funcionamiento indeseables, así como requisitos de componentes, dispositivos y detectores que se sitúan entre la electrónica de estado sólido y las tecnologías fotónicas . [ 87 ] [ 88 ] [ 89 ]

Los láseres de electrones libres pueden generar una amplia gama de emisión estimulada de radiación electromagnética , desde microondas y radiación de terahercios hasta rayos X. Sin embargo, son voluminosos, costosos y no son adecuados para aplicaciones que requieren una sincronización crítica (como las comunicaciones inalámbricas ). Otras fuentes de radiación de terahercios que se están investigando activamente incluyen osciladores de estado sólido (mediante multiplicación de frecuencia ), osciladores de onda inversa (BWO), láseres de cascada cuántica y girotrones .

Seguridad

La región de terahercios se encuentra entre la región de radiofrecuencia y la región óptica láser. Tanto la norma de seguridad de radiofrecuencia IEEE C95.1–2005 [ 90 ] como la norma de seguridad láser ANSI Z136.1–2007 [ 91 ] establecen límites en la región de terahercios, pero ambos límites de seguridad se basan en extrapolaciones. Se espera que los efectos sobre los tejidos biológicos sean de naturaleza térmica y, por lo tanto, predecibles mediante modelos térmicos convencionales . Se están realizando investigaciones para recopilar datos que permitan delimitar esta región del espectro y validar los límites de seguridad.

Un estudio teórico publicado en 2010 y realizado por Alexandrov et al. en el Centro de Estudios No Lineales del Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México [ 92 ] creó modelos matemáticos que predicen cómo la radiación de terahercios interactuaría con el ADN de doble cadena , mostrando que, aunque las fuerzas involucradas parecen ser pequeñas, las resonancias no lineales (aunque mucho menos probables de formarse que las resonancias comunes menos potentes) podrían permitir que las ondas de terahercios "desenrollen el ADN de doble cadena, creando burbujas en la doble cadena que podrían interferir significativamente con procesos como la expresión génica y la replicación del ADN ". [ 93 ] No se realizó una verificación experimental de esta simulación. El tratamiento teórico de Swanson de 2010 del estudio de Alexandrov concluye que las burbujas de ADN no ocurren bajo supuestos físicos razonables o si se toman en cuenta los efectos de la temperatura. [ 94 ] Un estudio bibliográfico publicado en 2003 informó que la intensidad de los rayos T disminuye a menos del 1% en los primeros 500 μm de piel , pero destacó que "actualmente hay muy poca información sobre las propiedades ópticas del tejido humano en frecuencias de terahercios". [ 95 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Jones, Graham A.; Layer, David H.; Osenkowsky, Thomas G. (2007). Manual de ingeniería de la Asociación Nacional de Radiodifusores . Taylor and Francis. pág. 7. ISBN  978-1-136-03410-7.
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  4. ↑ «Artículo 2.1: Bandas de frecuencia y longitud de onda» . Reglamento de Radiocomunicaciones (PDF comprimido) ( edición 2024). Unión Internacional de Telecomunicaciones . 2024. Consultado el 2 de febrero de 2025 . 
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Lecturas adicionales

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  • Janet, Rae-Dupree (8 de noviembre de 2011). "Nueva vida para viejos electrones en imágenes biológicas, tecnologías de detección" . Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC (Comunicado de prensa). Palo Alto, California: Universidad de Stanford. ...  los investigadores han generado con éxito pulsos de luz intensos en una parte en gran parte inexplorada del espectro electromagnético: la llamada brecha de terahercios .