Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

Нанооптика. Двенадцатый диапазон.

Опубликовал Сергей 4 февраля 2012 в рубрике Наука.

Нанооптика. Двенадцатый диапазон.Несмотря на происхождение термина dia pason (chordon) — через все (струны), речь пойдет об электромагнитных волнах, — предмете куда менее возвышенном, чем музыка, и к тому же предельно заорганизованном. Оказывается, в «свободном» эфире царит железная дисциплина, там каждый шорох регламентирован Международным Союзом Электросвязи, который разложил волны по полочкам и, начхав на либеральные ценности, пресекает малейшие нарушения режима: излучать разрешено только в отведенных местах, на выделенных частотах и в пределах оговоренной мощности. Объясняется это не особой злобностью связистов, а жуткой теснотой в эфире, созданной обилием радио-излучающих устройств. Но всё равно диктатура, при которой только и остается взять под козырёк да, не препираясь с нормативным документом МСЭ, запомнить: короче 0,1 мм (3* 10 в 12 Гц) радиоволн нет— за этой границей епархия оптики, несмотря на то, что волны, вроде бы, те же самые, электромагнитные.
Обычно за границей (в суверенной державе) говорят на собственном языке. Не удивительно, что «государственный язык» Оптики содержит неведомые радистам люксы, ламберты, канделы, а ещё люмены вместо ватт, электрон- вольты вместо джоулей ну и, само собой, магическое hv. Может показаться, что языковым барьером оптика ограждает свои владения от посторонних. Нет, она гораздо старше радиотехники и ввела эти термины задолго до появления Регламента радиосвязи, который всего лишь зафиксировал различия способов возбуждения и приёма волн.

Радиоволна отличается от оптической тем, что может неограниченно долго сохранять частоту, амплитуду и поляризацию, то есть, быть тождественной самой себе — когерентной. Иное дело оптика, где излучение — продута рекомбинации или сброса энергии возбужденным атомом. Такой процесс (испускание фотона), по определению, ограничен во времени и, несмотря на любые ухищрения, эти единичные события не удается связать в сплошную однородную бесконечную цепь. Даже самые стабильные гелий-неоновые лазеры обеспечивают весьма скромное время когерентности (около 0,1 с), но всё же, изобретение светоизлучающего диода и лазера существенно упорядочило структуру волнового поля, оставив механизм его генерации специфично оптическим.

Диапазоны Международного регламента радиосвязи

Диапазоны Международного регламента радиосвязи

Радиотехнике повезло — она родилась в сорочке замечательных уравнений Максвелла, из которых тривиально следует вся электродинамика. И поскольку нет ничего практичнее хорошей теории, радиоволны со времен Герца продуцируют, ясно осознавая происходящее: как генерировать нужную частоту, чем её излучить и принять? Отсюда внятный механизм преобразования переменного тока в электромагнитные волны и обратное преобразование энергии волнового поля в ток входной цепи приёмника. Любой радист нарисует эпюры токов антенны и покажет, как выглядит и распространяется э/м волна.
В оптике всё не так. Источники излучения появились, когда не то, что теории — жизни не было. Увы, обогнав теорию, практика (а она без теории слепа) закономерно прошлась по всем арбузным коркам. Достаточно напомнить, что свет долгое время считали потоком корпускул, хотя уже Гюйгенс (XVII в.) знал — это колебания упругой среды. Как ни странно, и в наши дни случаются рецидивы, видимо, из-за слишком буквально толкуемой квантовой механики, что обвинила фотон в дуализме и объявила не представимым — он словно поручик Киже «особа секретная, фигуры не имеет». Впрочем, и для классической физики тайна сия велика, есть — электродинамика тоже уходит от вопроса, как выглядит фотон и куда его излучает атом: вкруговую, направленно? Но главное установлено точно — при интерференции волна гасит волну, а вот камушками-корпускулами другие камушки не уничтожишь. Однозначно и зафиксированное Физической энциклопедией официальное мнение науки: «Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика — часть общего учения об электромагнитном поле. Её математическим основанием служат общие уравнения классической электродинамики — уравнения Максвелла».
Обретение теоретического базиса никак не повлияло на светильники, будь то Солнце, свеча, вольфрамовая нить или дуга, это всё те же тела накаливания, которые по-прежнему излучают невесть что, и невесть как. В отличие от радио устройств, они высвечивают энергию, лучше сказать, шумят, в чрезвычайно широкой полосе, создавая хаотичное световое поле. Семейство кривых (рис.1) показывает зависимость характера излучения от температуры и помогает понять, почему КПД лампы накаливания хуже паровоза.

Нанооптика. Двенадцатый диапазон.

Рис 1. Излучение черного тела

Единственная радость — никаких ограничений со стороны МСЭ.
Кстати, а почему вообще излучают тела накаливания да ещё в широкой полосе? Ведь когда электрон переходит на более низкую орбиту (дискретный уровень), атом излучает узкую линию. Но чтобы переход состоялся, надо сперва, орбиту электрона поднять — добавить ему энергии, например, как следует нагрев тело. При комнатной же температуре (300 К) никакие переводы электронов на высокие орбиты не происходят и никакого линейчатого спектра нет, а излучение налицо, В чём здесь дело?
Атомы взаимодействуют электронными оболочками, и ускорение атома при тепловых колебаниях сопровождается смещением электронного «каркаса» относительно массивного ядра. Приведённые центры положительного и отрицательного зарядов расходятся — возникает электрический диполь. Он и служит излучателем. Работают эти излучатели до тех пор, пока имеются тепловые колебания, т.е. пока температура выше абсолютного нуля.
Словом, с шумами в ИК-диапазоне хорошо, и при нагреве тела до комфортной температуры около него можно даже погреться, но для локации и связи хотелось бы получить когерентный или хотя бы монохроматичный источник, а с этим гораздо хуже. Так, терагерцовый генератор на биениях, использует лазеры, по крайней мере, один из которых должен быть перестраиваемым. К сожалению, его мощность, как и параметрического генератора света, ничтожна (несколько мкВт). Придумано и более серьёзное устройство с использованием линейного ускорителя — выдает до 20 Вт. Жаль, в карман не положишь. Мало надежд и на традиционную радиотехнику: из компонент привычной конфигурации не получается генератор столь чудовищной частоты (заметим, приставка тера — 1012- произведена от греческого teras — чудовище).

Окна прозрачности и прозрачность окон

Рис 2. окна прозрачности и прозрачность окон

Не легче с терагерцовым приемником. Пока объектом изучения был видимый и ближний инфракрасный свет, исследователям хватало собственных глаз и термометра, но в беспросветном мраке по обе стороны видимой области с таким инструментарием делать нечего. Визуализировать ультрафиолет помогли фотоэмиссионные материалы, а для инфракрасных рецепторов не нашлось ничего лучше фотосопротивлений, термопар, болометров. В ход пошло всё, что хоть как-то реагирует на изменения температуры. Однако достаточно взгляда на кривую спектральной яркости при 300 К (см. рис. 1), чтобы впасть в отчаяние: её максимум приходится на сердцевину терагерцового диапазона. Здесь тепловые шумы самого рецептора очень велики, и ловить с его помощью инфракрасный сигнал от объекта всё равно, что прислушиваться к сверчку на дискотеке.

Уровень тепловых шумов понижают, охлаждая приемный тракт сухим льдом или жидким азотом, и одного этого достаточно, чтобы заключить: мишень из микроболометров и прочего — временная мера, паллиатив настоящему селективному приёмнику, до появления которого о взаимности «излучатель-приемник», не стоит вспоминать. Вдобавок ко всему обнаружилось, что прозрачность стекол и даже атмосферы (рис.2) сильно зависит от длины волны — похоже, именно последнее обстоятельство подвигло технологов на создание оптического волокна прозрачнее воздуха!
Любопытная деталь: на максимуме кривой чувствительности зрения (рис.2) глаз различает цветовые тона, разнящиеся на 1 нм. Выходит, в жёлто-голубом интервале мы «на глазок» ловим миллионную долю миллиметра! Аналогичная кривая ночного зрения, когда глаз не различает цветов, на ~50 нм смещена к синему и в 10000 раз выше. Изобразить ее в том же масштабе трудновато (высота полкилометра!), но попробуем понять, откуда взялась такая сумасшедшая цифра? Прежде всего, ночью работает 125 млн. палочек против 6 млн. цветных колбочек дневного зрения. К тому же широкополосные ночные рецепторы реагируют на всю радугу, а например, «синяя» колбочка не видит падающий на неё красный свет. И наконец, палочки запараллелены в группы, которые, после темновой адаптации, объединяются в рецептивные поля, образуя систему, вполне способную поднять коэффициент усиления на искомые четыре порядка.

а-изображение полученное прибором Thru Vision, б-нож в газете не спрячешь

Рис 3. а-изображение полученное прибором Thru Vision, б-нож в газете не спрячешь

Из сопоставления рис. 1 и 2 видно, насколько точно чувствительность глаза подогнана к яркости Солнца. Иначе и быть не могло, это заслуга естественного отбора, а вот совпадение главного окна прозрачности атмосферы с максимумом светимости Солнца — несомненная удача планеты Земля, возможно, главное чудо бытия.

Однако вернемся в пограничье. Если в видимом свете и вблизи него кипит жизнь: непрерывно создаются все новые и новые технические решения от эфемерной информатики до металлообработки и боевой техники, то затишье дальнего инфракрасного почти невозмутимо — область терагерцовых частот практически необитаема и не поддается колонизации ни с той, ни с другой стороны, а это хороший раздражитель самолюбия учёных.

Компьютерная обработка

Рис 4. Компьютерная обработка позволяет выявить темные замыслы и скрыть не нужные детали(например пол)

Наука требует средств, но не всякая тема финансируется автоматически, подобно изысканиям Европейского центра ядерных исследований, и те, кому не посчастливилось устроиться в ЦЕРН, вынуждены лезть из кожи, чтобы заинтересовать спонсоров. Одни рисуют кошмарные картины роста концентрации углекислого газа и предлагают способы его связывания (интересно, как без углекислого газа пойдёт фотосинтез?). Другие регулярно находят в Антарктиде очередной метеорит с Марса (действительно, откуда ещё в Антарктиде взяться метеориту). Некто, «на голубом глазу», утверждает, что его «метеорит с Марса» к тому же по дороге убил собаку (чего не скажешь, чтобы получить грант). Каждый спасается по-своему.
А чем привлечь спонсоров к терагерцовым волнам? Где нам зарыть что-нибудь вроде убитой метеоритом собаки, какой приманкой подействовать? Может, каким-нибудь пугающим словообразованием вроде таинственных Т-лучей в загадочном Т-диапазоне. Конечно, аналогия с рентгеновскими или Х-лучами мобилизует, однако настырный спонсор может спросить: почему не говорят о Г-лучах, а лишь о гигагерцовых частотах? Выходит, просто Т-лучи слишком наивная хитрость, — в дополнение к интригующему названию они непременно должны обладать какими-нибудь удивительными свойствами. И такие свойства нашлись. Интернет запестрел сообщениями, а затем и картинками:
« Неионизирующее терагерцовое излучение свободно проникает сквозь одежду, бумагу, дерево, строительные конструкции, пластики и керамику, туман и облака. С его помощью можно инспектировать содержимое грузовых контейнеров и диагностировать состояние внутренних органов, находить спрятанное оружие, биологические и химически активные вещества, содержащиеся в запечатанных конвертах, осуществлять диагностику полупроводников, изучать процессы в живых метках, а также расширить диапазон электромагнитного излучения, применяемого для беспроводной передачи данных».
«Разрешающая способность терагерцового излучения весьма велика, с её помощью можно прочитать закрытую книгу — молекулы бумаги и краски взаимодействуют с лучами по-разному».
«Т-лучи можно использовать для диагностики рака кож и»...
Волнующие перспективы. Дело за малым — создать подходящий источник излучения. А заодно и приёмник тоже, поскольку изображениям на приборах контроля (рис. 3, а, б) пока далеко до чтения закрытых книг, даже после математической обработки терагерцовой голограммы (рис.4). «Террорист» на рис. 4 что-то прячет за спиной, но компьютерная обработка позволяет выявить тёмные замыслы и скрыть ненужные детали, например пол объекта.
Поиски нового технического решения полезно начать, покопавшись в хорошо забытом старье — скажем, вернуться к опытам Герца, точнее, его вибратору (рис.5). Что можно извлечь из такой пустяковины? Прежде всего, отметим предельную простоту устройства и напомним: в те времена не было генераторов радиочастоты, да и откуда им взяться, когда не только транзистор, радиолампу ещё не изобрели. И, тем не менее, в 1888 г., подключив «пустяковину» к обычной индукционной машине, Герц осуществил искровое возбуждение на собственной частоте вибратора. Он излучал 60-сантиметровые волны — работа на УВЧ!
Эта схема использовалась долгие годы: нажимая на ключ, радист додавал высокое напряжение на искровой промежуток, возникал разряд, возбуждающий резонансные колебания антенной системы, и сигнал шёл в эфир. Просто и эффективно, а так как с искрой, то ещё и эффектно. Искрение оставило заметный след — из-за него у связистов в петлицах молнии, радиовещание по-немецки rundfunk, их радисты носят шутливое прозвище Funk (Искра) и наименование «Телефункен» о том же.

Вибратор Герца

Рис 5. Вибратор Герца

Оптический вибратор

Рис 6. Оптический вибратор

Очень интересно, но не дает оснований лезть в оптику с вибратором: с суконным рылом нельзя в калашный ряд. А почему нет — надо  только сделать вибратор резонансным нужной нам частоте, и уменьшить зазор между плечами до туннельно-прозрачного (рис.6). Если на зазор подано напряжение, то в пределах области, соизмеримой с длиной волны электрона, происходит инверсия населённости энергетических уровней — главное условие генерации. Причём, в отличие от эффекта Джозефсона, частоту генерации определяет не величина напряжения на зазоре, а мина вибратора — точь-в-точь опыт Герца, только роль искрового разряда, теперь выполняют отдельные электроны.

Источник когерентного поляризационного излучения

Рис. 7. Источник когерентного поляризационного излучения

Широкополосный излучатель

Рис. 8. Широкополосный излучатель

Самоохлаждающийся рецептор

Рис. 9. Самоохлаждающийся рецептор

Располагая оптическим вибратором, можно без затей выложить матрицу (антенную решетку) монохроматичных излучателей (рис.7). Так как вибраторы решетки втягиваются в синхронизм, она становится источником когерентного поляризованного излучения и безо всякой фокусирующей оптики выдаёт коллимированный луч. Естественно, разночастотные вибраторы (рис. 8) излучают в широкой полосе и не обязательно в инфракрасной — ничто не мешает построить матрицу для видимого света и подбором резонансных частот (цвета) вибраторов получить непрерывный спектр, тождественный солнечному. Такие светильники будут обладать высочайшим КПД и неограниченным ресурсом.
Излучатели не единственное средство экспансии радиотехники в оптику: иолу волновой вибратор — основа целого класса новых оптических устройств (Патент РФ № 2217783), в том числе отличная приёмная антенна, которая может служить ячейкой мишени.
принципиальное решение есть, но с одной существенной оговоркой. В органе обоняния обеспечивался контакт рецептора (приемной антенны) с излучающей молекулой одоранта. В нашем случае подобный контакт исключен, и это сильно осложняет дело — полезный сигнал тонет в тепловых шумах. И всё же попробуем обойтись без жидкого азота.

Широкополосная и сверхширокополосная мишени

Рис. 10. Широкополосная (а) и сверхширокополосная (б) мишени

Так как шумы вибратора детектируются гратором (лучше двухполупериодной схемой), а энергия выделяется на нагрузке (рис.9) — вибратор захолаживается. Следовательно, матрица нагруженных вибраторов, помещенная в дюар или термоизолированая иным способом, остынет до температуры, при которой амплитуда шумов сравняется с напряжением отсечки гратора. В качестве широкополосных ячеек, наряду с многовибраторными антеннами (рис. 10а), годится и такая экзотика, как поляризационно-независимые логоспиральные антенны (рис. 10б), будто специально придуманные для планарной нанотехонологии. Разумеется, ячейки нашей самоохлаждающейся мишени должны быть соединены с соответствующими ячейками ПЗС-матрицы.
В заключение стоит подчеркнуть: перенесение принципов нормальной радиотехники в оптику образует новое направление — «нанооптику», возможности которой не исчерпываются приборами контроля терагерцового диапазона.

Читайте также:

Культ ЗДОРОВЬЯ ЛИЧНОСТИ
На каком языке говорит вода? Видео:"Великая тайна воды".
Акула-Субмарина
Асимметрия Земли. Луны и Венеры.

Похожие записи:

  1. Рабочий пульс рукотворной звезды.

Написать комментарий

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.