1、 Überblick über die Terahertz (THz)-Technologie

Terahertz-Wellen beziehen sich auf elektromagnetische Wellen mit Frequenzen im Bereich von 0,1 bis 10 THz (Wellenlänge 30 μm-3 mm), zwischen Mikrowelle und Infrarot, und wurden aufgrund technologischer Einschränkungen früher als „THz-Lücke“ bezeichnet. Zu seinen Kernfunktionen gehören:

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

(2) Starke Durchdringbarkeit: Es kann unpolare Materialien wie Kunststoffe, Keramik und Stoffe durchdringen, reflektiert jedoch Metalle stark und wird stark von Wassermolekülen absorbiert.

(3) Molekulares Fingerabdruckspektrum: Die Schwingungs-/Rotationsenergieniveaus organischer Makromoleküle (wie DNA und Sprengstoffe) liegen im THz-Band, das die Zusammensetzung der Substanz identifizieren kann.

(4) Hohe Auflösung: Die räumliche Auflösung erreicht Submillimeter-Niveau (z. B. Auflösung von Kratzern auf der Tankoberfläche bei 3,5 cm) und die zeitliche Auflösung erreicht Pikosekunden-Niveau.

2、 Eigenschaften und technische Prinzipien der Super-Hemisphärenlinse aus hochohmigem Zonenschmelzsilikon (HRFZ Si).

Materialeigenschaften

-Hoher spezifischer Widerstand (>1 k Ω· cm): gereinigt durch Zonenschmelzverfahren, Verunreinigungskonzentration <10 ¹² cm ⁻ ³, wodurch die Absorption freier Träger im Terahertz-Band deutlich reduziert wird, mit einem Transmissionsgrad > 50 % (1 THz), während gewöhnliches Silizium aufgrund der Trägerabsorption einen Transmissionsgrad < 20 % aufweist.

-Breitbandige Durchlässigkeit: Abdeckung von 0,1–1000 μm (nahes Infrarot bis Millimeterwelle), insbesondere bei 0,35–2,5 μm mit einer Durchlässigkeit von >85 %.

-Hoher Brechungsindex (n ≈ 3,45): Optimieren Sie die Fokussierungseffizienz der Terahertz-Welle und verbessern Sie die optische Kopplungsfähigkeit.

Optisches Strukturdesign

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

-Wellenfrontkontrolle: Das herkömmliche Objektiv muss mit einem Parabolspiegel zur sekundären Fokussierung ausgestattet sein, während die Superhalbkugelstruktur divergente sphärische Wellen direkt in konische Wellen mit kleinem Winkel (34° Divergenzwinkel) konvergieren kann, wodurch der optische Pfad vereinfacht wird.

Technische Engpässe und Verbesserungen

-Reflexionsverlust: Die Silizium-Luft-Grenzfläche weist ein hohes Reflexionsvermögen auf und erfordert eine Beschichtung mit einem Terahertz-Film mit hoher Durchlässigkeit (z. B. Poly(p-xylol)), um die Durchlässigkeit auf ≥ 90 % zu erhöhen.

-Integrierter Ersatz: Die neue dielektrische Metaoberflächenlinse (bestehend aus hochohmigen Silizium-Mikrosäulen-Arrays) hat eine Dicke von nur 150 μm und ist direkt in die Antennenoberfläche integriert und ersetzt herkömmliche sperrige Linsen.

3、 Anwendungsfelder

(1) Terahertz-Wellenkopplung und -übertragung

-Antennenintegration: Als Kopplungselement einer fotoleitenden Antenne (PCA) kollimiert es divergente Kugelwellen in quasi-planare Wellen und verbessert so die Effizienz der Signalübertragung.

-Glasfaserkommunikation: Wird für THz-Faserendflächenlinsen verwendet, um Schnittstellenreflexionsverluste zu reduzieren und 6G-Satellitenkommunikation zu unterstützen (theoretische Geschwindigkeit von 10 GB/s).

(2) Hochauflösende Bildgebung

-Sicherheitsprüfung und Qualitätsprüfung: Durchdringung von Kunststoff und Papier zur Erkennung von Sprengstoffen und Drogen in Verpackungen (kombiniert mit der THz-Fingerabdruckbibliothek).

-Biomedizin: Früherkennung von Zahnkaries (mit einer um 80 % verbesserten Genauigkeit im Vergleich zu Röntgenstrahlen), Identifizierung von Hautkrebsgewebe.

-Militärische Erkennung: Identifizieren Sie getarnte Ziele in Staub-/Rauchumgebungen und erkennen Sie menschliche Aktivitäten mithilfe eines wanddurchdringenden Radars.

(3) Astronomie und wissenschaftliche Forschung

-Erkennung von THz-Strahlung wie Kohlenstoff- und Wassermolekülen im Universum, um die Lücke bei bodengestützten Beobachtungen zu schließen.

4、 Unterschied zu gewöhnlichen superhalbkugelförmigen Siliziumlinsen

Hauptunterschiede:

Silizium mit hohem Widerstand wird durch Zonenschmelzen gereinigt, um Verunreinigungen zu reduzieren, während gewöhnliches Silizium (z. B. CZ-Wachstum) Sauerstoff- und Kohlenstoffverunreinigungen enthält, die die Verluste verschlimmern; Sein hoher spezifischer Widerstand unterdrückt direkt die Absorption von Terahertzwellen, während bei gewöhnlichem Silizium aufgrund seiner hohen Ladungsträgerkonzentration ein starker Abfall der Durchlässigkeit auftritt.

 Zusammenfassen

Die Terahertz-Technologie verfügt aufgrund ihrer sicheren Penetration und der Fähigkeit zur molekularen Fingerabdruckerkennung über ein enormes Potenzial in den Bereichen Bildgebung, Kommunikation und Militär. Als zentrale optische Komponente löst die hochohmige hyperhalbkugelförmige Linse aus geschmolzenem Silizium das Problem der effizienten Kopplung von Terahertzwellen durch verlustarme Materialien und hyperhalbkugelförmige Strukturen. Zu den zukünftigen Trends gehören:

-Integration: Metasurface-Linsen ersetzen herkömmliche Massenoptiken, um THz-Systeme auf Chip-Ebene zu erreichen;

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

-Multifunktional: Die abstimmbare Linse erweitert die Anwendung von THz in Szenarien wie der biologischen In-vivo-Erkennung und der dynamischen 6G-Strahlsteuerung.