Ciekłe kryształy w technologii terahercowej

Czy można poznać zawartość walizki, nie otwierając jej? Natychmiast nasuwa się odpowiedź, że tak - trzeba prześwietlić ją promieniami Roentgena. Jednak, jako promieniowanie jonizujące, oddziałują one szkodliwie na organizmy żywe, co ogranicza ich stosowanie. Istnieje natomiast inny sposób zajrzenia do wnętrza walizki. Trzeba użyć w specjalnego rodzaju "światła".

Światło "zwykłe", czyli widzialne, jest rodzajem fali elektromagnetycznej. Cechą wyróżniającą każdej fali jest jej długość lub częstość. Długości fal elektromagnetycznych występujących w przyrodzie lub wytwarzanych sztucznie obejmują bardzo szeroki zakres - od setek metrów w przypadku fal radiowych, do 1015 m w przypadku promieniowania gamma. Długościom tym odpowiadają częstości rzędu 105 Hz dla fal radiowych i 1023 Hz dla promieni gamma. Fale o różnych długościach różnią się właściwościami, co decyduje o ich zastosowaniu. Widmo fal elektromagnetycznych przedstawione jest schematycznie na poniższym rysunku.

wykres ilustrujący widmo fal elektromagnetycznych

Światło widzialne ma długość fali od 400 do 750 nm. Dłuższe fale to promieniowanie podczerwone o długościach rzędu 1-100 μm. Tu interesują nas fale jeszcze dłuższe, tj. z przedziału o umownych granicach od 30 μm do 3 mm. Ich częstość mieści się w zakresie od 0,1 THz do 10 THz. Litera T pochodzi od "tera" - z greckiego teras - potwór i oznacza 1012 Hz, czyli bilion herców. Promieniowanie takie przyjęto nazywać "terahercowym". Granice jego częstości i długości nie są ściśle określone.

Fale terahercowe znalazły różnorodne zastosowania dzięki ich szczególnym właściwościom. Przenikają przez powietrze oraz materiały niezawierające wody takie, jak papier, drewno, cement, plastik, tkaniny oraz wiele innych. Ważną cechą jest to, że nie jonizują materii, przez którą przechodzą, są więc bezpieczne dla organizmów żywych. Dzięki temu nadają np. do prześwietlania pasażerów na lotniskach lub do sprawdzania zawartości bagażu lub podejrzanych przesyłek pocztowych. Kamery pracujące w zakresie THz systemach bezpieczeństwa lotnisk służą do wykrywania narkotyków, materiałów wybuchowych i niebezpiecznych gazów.

Promieniowanie terahercowe znalazło zastosowanie w biologii do badań wirusów, cząsteczek białek i DNA, a w medycynie do diagnostyki pewnych odmian nowotworów. W niektórych przypadkach może ono zastąpić badanie rentgenoskopowe i posłużyć do obrazowania narządów wewnętrznych.

Inną właściwością decydującą o zastosowaniach promieniowania terahercowego jest ich silne odbijanie przez metale. Umożliwia to wykrywanie ukrytych przedmiotów metalowych, np. broni, amunicji, min itp.

Istnieje również szereg zastosowań przemysłowych. Przemysł półprzewodników wykorzystuje technologię THz do badania jakości półprzewodnikowych podłoży służących do produkcji układów scalonych i ogniw fotowoltaicznych. W przemyśle farmaceutycznym promienie terahercowe służą do badania składu chemicznego leków. Fale terahercowe odgrywają ważną rolę w monitorowaniu składu atmosfery Ziemi z satelitów.

W związku z tymi już istniejącymi, jak i z potencjalnymi zastosowaniami, istotne jest doskonalenie urządzeń do emisji, modulacji i detekcji promieniowania terahercowego. W tym zakresie trwają badania nad użyciem ciekłych kryształów jako elementów takich urządzeń. Wykorzystywane są w nich unikalne cechy ciekłych kryształów, a w szczególności zdolność do zmieniania ich właściwości pod działaniem pola elektrycznego. Stwarza to możliwość sterowania parametrami wiązki promieniowania terahercowego, np. jej kierunkiem. Badania wykorzystania ciekłych kryształów w technice terahercowej są stosunkowo nową, lecz rozwijającą się dziedziną, mającą znaczny potencjał aplikacyjny.