Терагерцове випромінювання: міст між мікрохвилями та інфрачервоним

Проміжок між мікрохвилями та інфрачервоним довго називали «терагерцовою прогалиною». Сьогодні терагерцове випромінювання (ТГц-діапазон) перетворюється на інструмент із величезним науковим та прикладним потенціалом [1].  У цьому лонгріді ми розглянемо фізичну природу ТГц-хвиль, джерела їх генерації, взаємодію з речовиною та найважливіші напрями застосувань — від безпечного сканування до майбутніх 6G-мереж.

Фізична природа терагерцового випромінювання

Терагерцові хвилі охоплюють частоти від 0,1 до 10 ТГц, що відповідає довжинам хвиль між 3 мм і 30 мкм. Для приблизної оцінки: частота f = 1 ТГц дає довжину хвилі λ = с / f ≈ 0,3 мм, де с — швидкість світла 3 × 10⁸ м/с. На відміну від іонізуючого рентгену, енергія фотонів ТГц-діапазону на багато порядків менша, тому випромінювання є неіонізуючим і біологічно безпечним [8]. Проте вода поглинає ТГц-хвилі, що визначає їхню невеликий радіус дії в атмосфері, але водночас забезпечує високий контраст для матеріалів зі зниженою вологістю (шкіра, вибухівка, сухі полімери тощо).

Спектр терагерцового випромінювання між мікрохвилями та інфрачервоним. Зображення: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/nano.202000067

Джерела генерації терагерцового випромінювання

Сучасна терагерцова наука використовує кілька ключових джерел:

Фотопровідникові антени утворюють ультракороткі ТГц-імпульси, коли фемтосекундний лазер створює носії заряду у зазорі між електродами [3]. Квантово-каскадні лазери (QCL) працюють у безперервному режимі й уже демонструють потужності > 180 мВт при 3,9 ТГц при кутовій розбіжності < 5° [2].Нелінійна оптика (оптична ректифікація, різницева частотна генерація) забезпечує широкополосні імпульси з піковими полями GV/см, що відкриває шлях до сильнопольової ТГц-динаміки [1].

Система зондування з потужним ТГц-полем, об’єднана з оптичними, електронно-дифракційними (UED) або рентгенівськими методами дослідження, із застосуванням методів нанофотоніки. Зображення: https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1515/nanoph-2021-0714/html

Взаємодія з речовиною та спектроскопія

ТГц-фотони резонують із колективними коливаннями решітки, водневими зв’язками та ротаційними ступенями свободи молекул. Це робить терагерцову спектроскопію чутливою до фазових переходів, поліморфізму лікарських засобів та структури води. У культурній спадщині ТГц-томографія «прозирає» крізь фарбові шари картин, не пошкоджуючи полотно, а в напівпровідниковій промисловості дозволяє контролювати інтегральні мікросхеми під оболонкою епоксидів[9].

Терагерцове випромінювання в медицині

Через сильне поглинання води ТГц-хвилі відбиваються від різних тканин залежно від їхньої гідратації. Це створює контраст між здоровими та патологічними клітинами. У 2024 р. продемонстровано портативний ТГц-сканер, здатний виявляти патології шкіри in vivo [5]. Паралельно розроблено метаповерхневі біосенсори, що розрізняють ракові й здорові клітини з високою чутливістю [6]. Відсутність іонізуючого впливу відкриває перспективу частого скринінгу без променевого навантаження.

Система терахерцового (THz) сканування на основі квантових каскадних лазерів для візуалізації тканин людини. Зображення: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10932572/

Системи безпеки й сканери для аеропортів

Пасивні та активні ТГц-камери бачать крізь неметалевий одяг, одночасно залишаючись безпечними для пасажирів. Ринок сканерів стрімко зростає: алгоритм Adaptation-YOLO підвищив точність виявлення прихованих об’єктів у ТГц-знімках 2025 року , а Європейське космічне агентство вже постачає пасивні системи у 18 країн світу [9].

Терагерцові комунікації та майбутня мережа 6G

У межах підготовки до 6G-стандарту дослідники випробовують ТГц-канали зі швидкістю передавання > 0,3 Тбіт/с на коротких відстанях. Огляд 2024 р. підкреслює роль спінтронних випромінювачів та антимагнетиків для створення компактних емітерів [7] ipipublishing.org. Виклик залишається: зменшити втрати в атмосфері, стабілізувати фазовий шум та масово виробляти енергоефективні детектори.

Історична тенденція та прогнозування технології бездротового зв'язку з практичними прикладами та пов'язаними з ними швидкістю передачі даних. Зображення: https://ipipublishing.org/index.php/ipil/article/view/64/48

Висновки

Терагерцове випромінювання переходить зі статусу лабораторної екзотики до технології, що змінює індустрії. Потужні квантово-каскадні лазери, розвинена спектроскопія, портативні медичні сканери та прототипи 6G-систем уже доводять прикладну цінність ТГц-діапазону. Головними перешкодами залишаються підвищення вихідної потужності джерел, чутливості детекторів і подолання атмосферних втрат. Проте інтенсивні дослідження й інтеграція з нанофотонікою та машинним навчанням свідчать: нова ера терагерцових технологій розпочалася.

Джерела:

1. Chen S., Wu X. Toward high-power terahertz radiation sources based on ultrafast nonlinear optics. J. Mater. Chem. C. 2024. Available at: https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/tc/d4tc01502a (accessed: 08.06.2025).

2. Zhang H. et al. High-brightness terahertz quantum cascade laser with near-diffraction-limited beam. Light: Science & Applications. 2024. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01567-2 (accessed: 08.06.2025).

3. BATOP GmbH. Photoconductive terahertz antenna (PCA). 2022. https://www.batop.de/information/PCA_infos.html (accessed: 08.06.2025).

4. Li Z. et al. High-throughput terahertz imaging: progress and challenges. Nature Photonics. 2023. https://www.nature.com/articles/s41377-023-01278-0 (accessed: 08.06.2025).

5. Hernández Serrano A. I. et al. Terahertz probe for real-time in vivo skin hydration evaluation. Advanced Photonics Nexus. 2024. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10932572/ (accessed: 08.06.2025).

6. Queen Mary University of London. Terahertz biosensor detects skin cancer with remarkable accuracy. ScienceDaily. 20 Feb 2024. https://www.sciencedaily.com/releases/2024/02/240220144523.htm (accessed: 08.06.2025).

7. Huminiuc T. Terahertz Radiation – the Dawn of a New Information Era. IPI Letters. 2024. https://ipipublishing.org/index.php/ipil/article/view/64 (accessed: 08.06.2025).

8. Slinn A. Physicist advancing skin cancer screening and diagnosis using terahertz waves. Phys.org. 09 Feb 2024. https://phys.org/news/2024-02-physicist-advancing-skin-cancer-screening.html (accessed: 08.06.2025).

9. Cheng A. et al. Enhancing concealed object detection in active THz security images with Adaptation-YOLO. Scientific Reports. 2025. https://www.nature.com/articles/s41598-024-81054-1 (accessed: 08.06.2025).

10. Jackson J. B., Bowen J. et al. Terahertz applications in cultural heritage conservation science. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. https://www.researchgate.net/publication/224254446 (accessed: 08.06.2025).