1. Überblick über die Terahertz-(THz)-Technologie

Terahertz-Wellen sind elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von 0,1 bis 10 THz (Wellenlänge 30 μm–3 mm), die zwischen Mikrowellen und Infrarot liegen und aufgrund technologischer Beschränkungen früher als „THz-Lücke“ bezeichnet wurden. Zu ihren Kernmerkmalen gehören:

(1) Niedrige Photonenenergie: Nur im Millielektronenvolt-Bereich, ohne Risiko ionisierender Strahlung, geeignet für die biologische Lebenddetektion.

(2) Hohe Durchdringungsfähigkeit: Es kann unpolare Materialien wie Kunststoffe, Keramik und Textilien durchdringen, reflektiert jedoch Metalle stark und wird von Wassermolekülen stark absorbiert.

(3) Molekulares Fingerabdruckspektrum: Die Schwingungs-/Rotationsenergieniveaus organischer Makromoleküle (wie DNA und Sprengstoffe) liegen im THz-Bereich, wodurch die Zusammensetzung der Substanz identifiziert werden kann.

(4) Hohe Auflösung: Die räumliche Auflösung erreicht den Submillimeterbereich (z. B. können Kratzer auf der Tankoberfläche in 3,5 cm Entfernung aufgelöst werden), und die zeitliche Auflösung erreicht den Pikosekundenbereich.

2. Eigenschaften und technische Prinzipien von Super-Hemisphärenlinsen aus hochohmigem, zonengeschmolzenem Silizium (HRFZ Si).

Materialeigenschaften

-Hoher spezifischer Widerstand (>1 k Ω· cm): gereinigt durch Zonenschmelzverfahren, Verunreinigungskonzentration<10 ¹² cm ⁻ ³, wodurch die Absorption freier Ladungsträger im Terahertz-Bereich deutlich reduziert wird, mit einer Transmission von>50% (1 THz), während gewöhnliches Silizium aufgrund der Ladungsträgerabsorption eine Transmission von<20% aufweist.

-Breitbandige Transmission: Abdeckung des Bereichs von 0,1-1000 μm (nahes Infrarot bis Millimeterwellen), insbesondere bei 0,35-2,5 μm mit einer Transmission von >85%.

-Hoher Brechungsindex (n ≈ 3,45): Optimierung der Fokussierungseffizienz von Terahertz-Wellen und Verbesserung der optischen Kopplungsfähigkeit.

Optische Strukturgestaltung

-Superhemisphärische Krümmung: Der Krümmungsradius ist größer als der einer Halbkugel, wodurch ein größerer Lichtsammelwinkel und eine kürzere Brennweite erzielt werden und die sphärische Aberration reduziert wird.

-Wellenfrontkontrolle: Bei herkömmlichen Linsen ist ein parabolischer Spiegel zur sekundären Fokussierung erforderlich, während die Superhemisphärenstruktur divergente sphärische Wellen direkt in konische Wellen mit kleinem Winkel (34° Divergenzwinkel) bündeln kann, wodurch der optische Pfad vereinfacht wird.

Technische Engpässe und Verbesserungen

-Reflexionsverlust: Die Silizium-Luft-Grenzfläche weist eine hohe Reflektivität auf und erfordert eine Beschichtung mit einem Terahertz-Hochtransmissionsfilm (wie z. B. Poly(p-xylol)), um die Transmission auf ≥ 90 % zu erhöhen.

-Integrierter Ersatz: Die neue dielektrische Metasurface-Linse (bestehend aus hochohmigen Silizium-Mikrosäulenarrays) hat eine Dicke von nur 150 μ m und ist direkt auf der Antennenoberfläche integriert, wodurch herkömmliche sperrige Linsen ersetzt werden.

3. Anwendungsgebiete

(1) Kopplung und Übertragung von Terahertz-Wellen

-Antennenintegration: Als Kopplungselement einer fotoleitenden Antenne (PCA) kollimiert sie divergente sphärische Wellen zu quasi-planaren Wellen und verbessert so die Signalübertragungseffizienz.

-Glasfaserkommunikation: wird für THz-Faserendflächenlinsen verwendet, um Reflexionsverluste an der Schnittstelle zu reduzieren und 6G-Satellitenkommunikation zu unterstützen (theoretische Geschwindigkeit von 10 GB/s).

(2) Hochauflösende Bildgebung

-Sicherheitsprüfung und Qualitätskontrolle: Durchdringen von Kunststoff und Papier zum Aufspüren von Sprengstoffen und Drogen in den Paketen (kombiniert mit einer THz-Fingerprint-Bibliothek).

-Biomedizinisch: Früherkennung von Karies (mit einer um 80 % höheren Genauigkeit im Vergleich zu Röntgenaufnahmen), Identifizierung von Hautkrebsgewebe.

-Militärische Aufklärung: Identifizierung getarnter Ziele in staubigen/rauchigen Umgebungen und Erkennung menschlicher Aktivitäten mittels wanddurchdringendem Radar.

(3) Astronomie und wissenschaftliche Forschung

-Nachweis von Terahertz-Strahlung wie Kohlenstoff- und Wassermolekülen im Universum, um die Lücke bei bodengebundenen Beobachtungen zu schließen.

4. Unterschied zu gewöhnlichen Silizium-Superhemisphärischen Linsen

Wesentliche Unterschiede:

Hochohmiges Silizium wird durch Zonenschmelzen gereinigt, um Verunreinigungen zu reduzieren, während gewöhnliches Silizium (z. B. durch CZ-Wachstum) Sauerstoff- und Kohlenstoffverunreinigungen enthält, die die Verluste erhöhen; sein hoher spezifischer Widerstand unterdrückt direkt die Absorption von Terahertz-Wellen, während gewöhnliches Silizium aufgrund seiner hohen Ladungsträgerkonzentration einen starken Abfall der Transmission erfährt.

 Zusammenfassen

Die Terahertz-Technologie birgt aufgrund ihrer sicheren Durchdringungsfähigkeit und der Möglichkeit zur molekularen Fingerabdruckerkennung ein enormes Potenzial für Bildgebung, Kommunikation und Militärtechnik. Als zentrale optische Komponente löst die hochohmige, aus Silizium gefertigte hyperhemisphärische Linse das Problem der effizienten Einkopplung von Terahertz-Wellen durch verlustarme Materialien und hyperhemisphärische Strukturen. Zukünftige Trends umfassen:

-Integration: Metasurface-Linsen ersetzen herkömmliche optische Komponenten, um THz-Systeme auf Chipebene zu realisieren;

-Intelligenz: Kombination von KI zur Optimierung von Bildgebungsalgorithmen (wie z. B. 3D-Rekonstruktion von Kulturdenkmälern aus Sanxingdui);

-Multifunktional: Die abstimmbare Linse erweitert die Anwendungsmöglichkeiten der Terahertz-Technologie in Bereichen wie der biologischen In-vivo-Detektion und der dynamischen Strahlsteuerung bei 6G.