Terahertz waves, a frequency band s

Terahertz waves, a frequency band squeezed in between the far infrared and the very short-wave radio frequency region of the electromagnetic spectrum, are not only difficult to create but also difficult to detect. So making a good imager for them is quite a difficult task. Still, in 2012 researchers reported an experimental 1000-pixel CMOS terahertz camera.

The SwissFEL laser team led by Christoph Hauri at the Paul Scherrer Institute near Zurich has now shown that you can use a common megapixel CCD device, as found in electronic cameras or in smartphones, to capture images produced by terahertz waves.

In research published today in Nature Communications, the team describes how with a silicon CCD of 1360 x 1024 pixels they obtained images of THz beams with a resolution that is 25 times better than currently available bolometer-based terahertz imaging systems, and at a fraction of the cost. Microbolometer imagers are two dimensional arrays of metal-and-insulator pixels. The pixels heat up in response to terahertz radiation and change their resistances. However, these arrays are not only slower than CCDs but their pixels are several times larger (24 micrometers instead of 4.65 µm), so microbolomters have worse resolution.

In common CCDs individual photons of visible light liberate individual electrons, a phenomenon known as the internal photoelectric effect. These electrons, have sufficient energy to cross silicon’s band gap, and end up stored in a potential well, from which they can be read out. Terahertz photons, with their longer wavelengths, carry much less energy and the dislodged electrons simply don't make it across the band gap.

"We used kind of an experimental trick, the mode of CCD operation we use is different from the mode of operation at optical frequencies," says Mostafa Shalaby, the lead author of the Nature Communications paper and member of the SwissFEL Laser Group at PSI. It was previously known that low frequency radiation, when intense enough, could lead to dramatic changes in the semiconductor band structure. (For the intense light source they turned to a new and uniquely powerful source the SwissFEL team developed.) Long terahertz wavelengths force electrons to tunnel through the bandgap and the charge carriers start multiplying, leading to huge sensitivity, explains Shalaby.

Although materials with a band gap corresponding to the energy of terahertz photons don't exist, it is clear that any reduction of the band gap would increase the sensitivity. Using a photoactive layer with a smaller band gap would most likely improve the sensitivity of the imaging device, but "it is really hard for us to convince big companies with mass production to fabricate something for us custom," says Carlo Vicario of SwissFEL.

The researchers obtained images by exposing the CCD directly to the terahertz beam. Improving the CCD’s sensitivity, the subject of their immediate research plans, will require much less powerful terahertz lasers, says Vicario. The researchers found that by using 2 to 5 percent of their laser power they could still obtain visible images.

There are a wide range of other improvements possible as well. "If you use CMOS instead of CCD you have a much higher sensitivity,” says Shalaby. “Also with structured metal or metamaterials on top of the substrate one can enhance the sensitivity of the imager." With the first results of this proof of principle the researchers have filed for a patent, and they say they’ve attracted interest from industry, including a CCD manufacturer.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

เทราเฮิรตซ์คลื่น ถี่คั้นระหว่างแคว้นสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นความถี่วิทยุคลื่นสั้นมากและไกลอินฟราเรดจะไม่เพียงแต่ยากที่จะสร้าง แต่ยังยากที่จะตรวจสอบ ดังนั้น การถ่ายภาพที่ดีสำหรับพวกเขาเป็นงานค่อนข้างยาก ยังคง ใน 2012 นักวิจัยรายงานการทดลอง 1000 พิกเซล CMOS เทราเฮิรตซ์กล้องทีมงานเลเซอร์ SwissFEL นำ โดย Christoph Hauri สถาบัน Scherrer Paul ใกล้ซูริคได้ตอนนี้แสดงว่า คุณสามารถใช้อุปกรณ์ล้านพิกเซล CCD ทั่วไป เป็นพบในกล้องอิเล็กทรอนิกส์ หรือสมาร์ท โฟน การจับภาพที่ผลิต โดยเทราเฮิรตซ์คลื่นงานวิจัยที่เผยแพร่ในวันนี้ในลักษณะการสื่อสาร ทีมอธิบายวิธี ด้วยซิลิคอน CCD 1360 x 1024 พิกเซล ได้รูปของคาน THz ด้วยความละเอียดที่ 25 ครั้งดี กว่าเทราเฮิรตซ์ใช้ bolometer ปัจจุบันมีระบบถ่ายภาพ และเศษส่วนของต้นทุน Microbolometer กล้องถ่ายภาพเป็นอาร์เรย์มิติสองพิกเซลโลหะฉนวนไฟฟ้า พิกเซลความร้อนค่าตอบเทราเฮิรตซ์รังสี และเปลี่ยนแปลงความต้านทาน อย่างไรก็ตาม เรย์เหล่านี้ไม่ใช่เฉพาะช้ากว่าใช้ แต่พิกเซลของตนเป็นใหญ่หลายครั้ง (24 คัลไมโครมิเตอร์แบบแทน 4.65 µm), ดังนั้น microbolomters มีความละเอียดที่แย่ ร่วมใช้ photons ละของแสงที่มองเห็นปลดปล่อยอิเล็กตรอนแต่ละตัว ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าอิเล็กภายใน อิเล็กตรอนเหล่านี้ มีพลังงานเพียงพอให้ข้ามช่องว่างวงของซิลิคอน และท้ายเก็บไว้ในบ่อเกิด ที่พวกเขาสามารถอ่านออก เทราเฮิรตซ์ photons กับความยาวคลื่นของตนอีกต่อไป ดำเนินการพลังงานน้อยมาก และอิเล็กตรอน dislodged ก็ไม่ให้ผ่านช่องว่างของวง"เราใช้ชนิดเทคนิคการทดลอง วิธีการดำเนินการ CCD ที่เราใช้จะแตกต่างจากวิธีการดำเนินงานที่ความถี่ของแสง กล่าวว่า Mostafa Shalaby ผู้นำสื่อสารธรรมชาติกระดาษและสมาชิกของ กลุ่มในเลเซอร์ SwissFEL PSI ก่อนหน้านี้มันถูกเรียกว่า รังสีความถี่ต่ำ เมื่อรุนแรงมาก อาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงอย่างมากในโครงสร้างสารกึ่งตัวนำวง (สำหรับแหล่งกำเนิดแสงรุนแรงที่พวกเขาเปิดแหล่งใหม่ และมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะ ทีมงาน SwissFEL ที่พัฒนา) ความยาวคลื่นที่ยาวเทราเฮิรตซ์บังคับให้อิเล็กตรอนอุโมงค์ผ่าน bandgap และสายการบินค่าธรรมเนียมเริ่มต้นคูณ นำไปไวมาก อธิบาย Shalabyถึงแม้ว่าไม่มีวัสดุ มีแถบช่องว่างที่สอดคล้องกับพลังงานของเทราเฮิรตซ์ photons ได้ชัดเจนว่า การลดช่องว่างของวงจะเพิ่มระดับความสำคัญ ชั้น photoactive ด้วยช่องว่างวงเล็กจะคล้ายเพิ่มความไวของการอุปกรณ์ถ่ายภาพ "มันเป็นเรื่องไม่ยากสำหรับเราที่จะโน้มน้าวให้บริษัทใหญ่ มีมวลผลิตเพื่อสานสิ่งเรากำหนดเอง กล่าวว่า Carlo Vicario ของ SwissFELThe researchers obtained images by exposing the CCD directly to the terahertz beam. Improving the CCD’s sensitivity, the subject of their immediate research plans, will require much less powerful terahertz lasers, says Vicario. The researchers found that by using 2 to 5 percent of their laser power they could still obtain visible images.There are a wide range of other improvements possible as well. "If you use CMOS instead of CCD you have a much higher sensitivity,” says Shalaby. “Also with structured metal or metamaterials on top of the substrate one can enhance the sensitivity of the imager." With the first results of this proof of principle the researchers have filed for a patent, and they say they’ve attracted interest from industry, including a CCD manufacturer.

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

คลื่นเฮิร์ตซ์ซึ่งเป็นคลื่นความถี่ที่อยู่ในระหว่างการบีบไกลอินฟราเรดและภูมิภาคความถี่วิทยุมากคลื่นสั้นของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่เพียง แต่ยากที่จะสร้าง แต่ยังยากที่จะตรวจสอบ ดังนั้นการทำอิมเมจดีสำหรับพวกเขาค่อนข้างเป็นงานที่ยาก แต่ถึงกระนั้นในปี 2012 นักวิจัยรายงานการทดลอง 1000 พิกเซลแบบ CMOS กล้องเฮิร์ตซ์. ทีมเลเซอร์ SwissFEL นำโดยคริสโต HAURI ที่พอล Scherrer สถาบันที่อยู่ใกล้เมืองซูริคได้แสดงให้เห็นว่าตอนนี้คุณสามารถใช้อุปกรณ์ที่ CCD ล้านพิกเซลทั่วไปที่พบในกล้องอิเล็กทรอนิกส์หรือใน มาร์ทโฟนในการจับภาพการผลิตโดยคลื่นเฮิร์ตซ์. ในงานวิจัยเผยแพร่ในวันนี้ในการติดต่อสื่อสารธรรมชาติ, ทีมอธิบายถึงวิธีการที่มีซิลิกอนที่ CCD ของ 1360 x 1024 พิกเซลที่พวกเขาได้รับภาพของ THz คานที่มีความละเอียดที่เป็น 25 ครั้งดีกว่า bolometer- ที่มีอยู่ในปัจจุบัน ตามระบบการถ่ายภาพเฮิร์ตซ์และในส่วนของค่าใช้จ่าย imagers microbolometer อาร์เรย์สองมิติของพิกเซลโลหะและฉนวนกันความร้อน พิกเซลความร้อนขึ้นในการตอบสนองกับรังสีเฮิร์ตซ์และเปลี่ยนความต้านทานของพวกเขา อย่างไรก็ตามอาร์เรย์เหล่านี้ไม่เพียง แต่ช้ากว่า CCDs แต่พิกเซลของพวกเขาหลายครั้งใหญ่ (24 ไมโครเมตรแทน 4.65 ไมครอน) ดังนั้น microbolomters มีความละเอียดที่เลวร้ายยิ่ง. ใน CCDs ที่พบบ่อยโฟตอนแต่ละแสงที่มองเห็นปลดปล่อยอิเล็กตรอนแต่ละปรากฏการณ์ที่เรียกว่าภายในที่ ผลตาแมว อิเล็กตรอนเหล่านี้มีพลังงานเพียงพอที่จะข้ามช่องว่างแถบซิลิกอนและจบลงด้วยการเก็บไว้ในที่เดียวที่อาจเกิดขึ้นจากการที่พวกเขาสามารถอ่านออก โฟตอนเฮิร์ตซ์ที่มีความยาวคลื่นอีกต่อไปของพวกเขาดำเนินการพลังงานน้อยและอิเล็กตรอนหลุดออกก็ไม่ได้ทำให้มันข้ามช่องว่างวง. "เราใช้ชนิดของเคล็ดลับการทดลองโหมดการทำงานที่ CCD ที่เราใช้จะแตกต่างจากรูปแบบของการดำเนินงาน ที่ความถี่แสง "Mostafa Shalaby, ผู้เขียนนำกระดาษสื่อสารธรรมชาติและเป็นสมาชิกของกลุ่มเลเซอร์ SwissFEL ที่ PSI กล่าวว่า มันเป็นที่รู้จักก่อนหน้านี้ว่ารังสีความถี่ต่ำเมื่อรุนแรงมากพอที่จะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงอย่างมากในสารกึ่งตัวนำโครงสร้างวง (สำหรับแหล่งกำเนิดแสงที่รุนแรงพวกเขาหันไปแหล่งที่มาใหม่และมีประสิทธิภาพที่ไม่ซ้ำกันทีม SwissFEL พัฒนา.) ความยาวคลื่นยาวเฮิร์ตซ์อิเล็กตรอนแรงอุโมงค์ผ่าน bandgap และผู้ให้บริการค่าใช้จ่ายเริ่มต้นคูณที่นำไปสู่ความไวมากอธิบาย Shalaby. แม้ว่าวัสดุที่มี ช่องว่างแถบที่สอดคล้องกับการใช้พลังงานของโฟตอนเฮิร์ตซ์ไม่อยู่ก็เป็นที่ชัดเจนว่าการลดช่องว่างของวงดนตรีใด ๆ ที่จะเพิ่มความไว ใช้ชั้น photoactive มีช่องว่างวงดนตรีขนาดเล็กส่วนใหญ่มีแนวโน้มที่จะปรับปรุงความไวของอุปกรณ์การถ่ายภาพ แต่ "มันเป็นจริงยากสำหรับเราที่จะโน้มน้าวให้ บริษัท ขนาดใหญ่ที่มีการผลิตจำนวนมากในการประดิษฐ์สิ่งที่เรากำหนดเอง" คาร์โล Vicario ของ SwissFEL กล่าว. นักวิจัยที่ได้รับภาพโดยการเปิดเผยข้อมูลที่ CCD โดยตรงกับคานเฮิร์ตซ์ การปรับปรุงความไวของ CCD เรื่องของแผนการวิจัยของพวกเขาทันทีจะต้องใช้เลเซอร์เฮิร์ตซ์มีประสิทธิภาพมากน้อย Vicario กล่าวว่า นักวิจัยพบว่าโดยใช้ 2 ถึงร้อยละ 5 ของกำลังแสงเลเซอร์ของพวกเขายังคงสามารถได้ภาพที่มองเห็น. มีช่วงกว้างของการปรับปรุงอื่น ๆ ที่เป็นไปได้เช่นกัน "ถ้าคุณใช้ CMOS แทน CCD คุณมีความไวสูงมากกล่าวว่า" Shalaby. "นอกจากนี้ด้วยโลหะที่มีโครงสร้างหรือ metamaterials บนพื้นผิวหนึ่งที่สามารถเพิ่มความไวของอิมเมจที่." ด้วยผลครั้งแรกของการพิสูจน์หลักการนี้นักวิจัยได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรและพวกเขากล่าวว่าพวกเขาได้ดึงดูดความสนใจจากอุตสาหกรรมรวมทั้งเป็นผู้ผลิตที่ CCD

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

แถบความถี่คลื่นเทราเฮิรตซ์ , คั้นระหว่างอินฟราเรด และคลื่นวิทยุความถี่สั้นมาก ) ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่เพียง แต่ยากที่จะสร้าง แต่ยังยากที่จะตรวจสอบ เพื่อให้ภาพที่ดีสำหรับพวกเขาจะค่อนข้างเป็นงานที่ยาก ยัง , ในนักวิจัย 2012 รายงานการทดลอง 1000 พิกเซล CMOS กล้อง

เทราเฮิรตซ์ .การ swissfel ทีม นำโดย คริสตอฟ hauri เลเซอร์ที่พอลเชเรอร์สถาบันใกล้ซูริคได้แสดงให้เห็นว่าคุณสามารถใช้ร่วมกันล้านพิกเซล CCD อุปกรณ์ที่พบในกล้องอิเล็กทรอนิกส์หรือในสมาร์ทโฟน เพื่อจับภาพที่ผลิตโดยคลื่นเทราเฮิรตซ์ .

ในงานวิจัยที่เผยแพร่ในวันนี้โดยธรรมชาติทีมอธิบายอย่างไรกับซิลิคอน CCD ของ 1360 x 1024 พิกเซลได้ภาพของ thz คานกับความละเอียดที่มากกว่าที่มีอยู่ในปัจจุบันใช้ระบบสร้างภาพ bolometer เทราเฮิรตซ์ 25 ครั้ง และที่เศษส่วนของต้นทุน microbolometer imagers เป็นอาร์เรย์สองมิติของโลหะและฉนวนพิกเซลพิกเซลร้อนขึ้นในการตอบสนองต่อรังสีเทราเฮิรตซ์และการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของพวกเขา อย่างไรก็ตาม ข้อมูลเหล่านี้จะไม่เพียง แต่ช้ากว่า ccds แต่พิกเซลของพวกเขามีขนาดใหญ่หลาย ๆ ครั้ง ( 24 ไมโครเมตร แทนที่จะตั้งµ M ) ดังนั้น microbolomters มีความละเอียดแย่

เหมือนกัน ccds แต่ละโฟตอนของแสงที่ปลดปล่อยอิเล็กตรอนแต่ละปรากฏการณ์ที่เรียกว่าปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกภายในอิเล็กตรอนเหล่านี้ จะมีพลังงานเพียงพอที่จะข้ามช่องว่างซิลิคอนเป็นวงดนตรี และจบลงที่เก็บไว้ในที่มีศักยภาพดี จากที่พวกเขาสามารถอ่านออกได้ เทราเฮิรตซ์โฟตอนที่มีความยาวคลื่นยาวของพวกเขาแบกพลังงานน้อยมากและย้ายอิเล็กตรอนก็อย่าให้มันผ่านช่องว่างแถบ

" เราใช้ชนิดของเทคนิคการทดลองโหมดการทำงานของ CCD ที่เราใช้จะแตกต่างจากโหมดการดำเนินงานที่ความถี่แสง กล่าวว่า ถ้าคน shalaby , ผู้เขียนหลักของธรรมชาติ การสื่อสารกระดาษและสมาชิกของกลุ่มที่ swissfel เลเซอร์ psi . มันเป็นที่รู้จักกันก่อนหน้านี้ว่า รังสีความถี่ต่ำที่รุนแรงพอ อาจจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในโครงสร้างกลุ่มเซมิคอนดักเตอร์( สำหรับแหล่งกำเนิดแสงที่รุนแรงพวกเขาเปลี่ยนให้ใหม่และมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะแหล่ง swissfel ทีมพัฒนา ) ยาวเทราเฮิรตซ์ความยาวคลื่นบังคับอิเล็กตรอนไปยังอุโมงค์ผ่าน bandgap และค่าธรรมเนียมสายการบินเริ่มคูณที่นำไปสู่ความไวมากอธิบาย shalaby

ถึงแม้ว่าวัสดุที่มีช่องว่างแถบพลังงานของโฟตอนที่เทราเฮิรตซ์ไม่มีจริง ,มันเป็นที่ชัดเจนว่ามีการลดช่องว่างแถบจะเพิ่มความไว ใช้ชั้น photoactive กับช่องว่างวงดนตรีขนาดเล็กส่วนใหญ่จะปรับปรุงความไวของอุปกรณ์การถ่ายภาพ แต่ " มันเป็นเรื่องยากสำหรับเราที่จะโน้มน้าวให้ บริษัท ขนาดใหญ่ที่มีการผลิตมวลสร้างบางอย่างให้เราเองว่า " คาร์โล Vicario ของ swissfel .

นักวิจัยได้เปิดเผยภาพจาก CCD โดยตรงเพื่อเทราเฮิรตซ์ บีม การปรับปรุงของ CCD ความไวในเรื่องของแผนงานวิจัยของตนทันที จะต้องมีมากน้อยที่มีประสิทธิภาพเทราเฮิรตซ์เลเซอร์บอกว่า Vicario . นักวิจัยพบว่าโดยการใช้ 3 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานเลเซอร์ของพวกเขาพวกเขายังคงสามารถขอรับ

ภาพที่มองเห็นมีหลากหลายของการปรับปรุงอื่น ๆ ได้เป็นอย่างดี " ถ้าคุณใช้ CCD CMOS แทน คุณมีความไวสูงมาก กล่าวว่า shalaby . " นอกจากนี้ ด้วยโครงสร้างโลหะหรือ metamaterials บนพื้นผิวหนึ่งสามารถปรับปรุงความไวของ Imager . " ผลแรกของหลักฐานนี้หลักการนักวิจัยได้ยื่นขอสิทธิบัตรและพวกเขากล่าวว่าพวกเขาได้ดึงดูดความสนใจจากอุตสาหกรรม รวมทั้งเป็นผู้ผลิต CCD .