Credit: ITMO University
Ученые из России, Великобритании и Литвы провели тестовые испытания приемопередатчика терагерцевого излучения размером с булавочную головку. Антенна состоит из нескольких полупроводниковых слоев с квантовыми точками. Описание эксперимента опубликовано в журнале Laser & Photonics Reviews.
Спектр частот терагерцевого излучения лежит между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Терагерцевое излучение проникает сквозь живые ткани, но практически не рассеивается в них, и поэтому, в отличие от рентгеновских лучей, не представляет опасности для здоровья. Это свойство обеспечивает широкий спектр применения этого диапазона излучения: например, оно используется в системах безопасности для сканирования багажа и людей, с его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой металлические, керамические, пластиковые и другие предметы на расстояниях до десятков метров (поэтому терагерцовое излучение часто называют «раздевающим»). В медицинскую практику начинают внедряться терагерцевые томографы, с помощью которых можно исследовать верхние слои тела — кожу, сосуды, мышцы — до глубины в несколько сантиметров. Это нужно, например, для получения изображения опухолей. Еще одно возможное применение — получение снимков поверхностей, скрытых под слоями штукатурки или краски, что, в свою очередь, делает возможным «бесконтактное» восстановление первоначального вида произведений живописи.
Существующие генераторы терагерцевого излучения используют конверсию инфракрасных лазерных лучей в терагерцевые. Такая конверсия выполняется при помощи сложных систем, включающих фотоантенны, полупроводниковые кристаллы или диоды — как правило, это дорогие массивные энергозатратные системы, которые, к тому же, работают только при низких температурах. Специфика их работы накладывает ограничения на максимальную мощность лазерного излучения и максимальную амплитуду прикладываемого напряжения во избежание перегрева и/или электрического пробоя.
Новое устройство работает на базе квантовых точек — частиц полупроводника размером в несколько нанометров, широко используемых в нанотехнологиях. Под воздействием электричества или света частица испускает свет конкретной частоты в зависимости от своих размеров и формы, и таким образом допускает высокоточное управление своими свойствами — поэтому квантовые точки иногда называют искусственными атомами.
Структура антенны: QD - активная область из нескольких слоев квантовых точек в матрице арсенида галлия
Credit: ITMO University
Антенна состоит из нескольких активных слоев квантовых точек, размещенных поверх отражателя Брэгга. Импульсный лазерный свет пропускается сквозь активные слои между смещенными электродами антенны, и поглощается полупроводником. Накачка полупроводниковой структуры лазерным светом разных уровней энергии вызывает образование фототоков с параметрами, которые зависят от свойств соответствующего возбужденного активного слоя квантовых точек. Взаимодействие фототоков вызывает рекомбинацию радиационных и нейтральных процессов внутри полупроводника, таким образом, процесс конверсии оптического сигнала в терагерцевый происходит за счет управляемых рекомбинаций пар электрических зарядов в полупроводнике, после чего полученный фототок передается встроенной микро-антенной как терагерцевое излучение в полусферические линзы.
Одним из ключевых моментов эксперимента стало использование единого состава полупроводника как для источника импульсной лазерной накачки, так и для терагерцевого излучателя — в такой конфигурации ученые наблюдали дополнительное излучение и абсорбцию энергии, выполняемых, соответственно, лазером и антенной. Это «возрождение» эффективного терагерцевого сигнала, которое было зафиксировано при достижении энергией уровня возбуждения соответствующего слоя квантовых точек, стало самым важным новшеством проведенного эксперимента.
Схема генерации терагерцевого излучения в фотопроводниковой антенне
Credit: ITMO University
Ученые отмечают, что новая антенна не только позволяет генерировать терагерцевое излучение при комнатной температуре, но и значительно сокращает размеры источника излучения, что дает возможность объединить антенну с компактным инфракрасным лазером. Проведенные эксперименты показали, что созданное устройство выдерживает десятикратное увеличение интенсивности входного лазерного импульса по сравнению с традиционными терагерцевыми генераторами.
Исследователи предполагают, что новое устройство может быть использовано в высокоскоростных системах связи, а также в компактных терагерцевых сканерах, которые можно использовать для получения динамических изображений глубоких слоев кожи, сканирования эмбриона, мозга, а также внутренних органов и опухолей.
Надежда Бессонова
Его скорость по вертикальным поверхностям достигает шести сантиметров в секунду
Инженеры разработали прототип гибридного орнитоптера, который может садиться и ездить по вертикальным поверхностям. Помимо четырех машущих крыльев он имеет два воздушных винта и гусеничный привод с клейкими лентами, который используется для движения по стенам. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Research. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Свобода передвижения, доступная летающим насекомым, давно вдохновляет инженеров, разрабатывающих беспилотники. К примеру способность мух быстро переходить от маневренного полета к передвижению по вертикальной поверхности пытались реализовать создатели дрона SCAMP. Они оснастили квадрокоптер двумя ножками с металлическими коготками, с помощью которых дрон может передвигаться по стенам, цепляясь за мелкие неровности. В случае срыва, дрон быстро включает роторы, чтобы предотвратить крушение. Существуют и другие прототипы мультироторных дронов, со способностью садиться на стены, однако орнитоптеры (даже с ногами) до сих пор на стену садиться не умели. Инженеры под руководством Цзи Айхуна (Aihong Ji) из Нанкинского университета аэронавтики и космонавтики разработали гибридный орнитоптер с небольшими вспомогательными воздушными винтами. Он может садиться на вертикальные поверхности, взлетать с них, а также передвигаться по ним, используя небольшой гусеничный привод с клейким покрытием и прижимную силу пропеллеров. Основную подъемную силу орнитоптера массой 135 грамм создают четыре машущих крыла, расположенные по X-образной схеме. Левая и правая пары крыльев приводятся в движение индивидуальными электромоторами. Изменяя независимо частоту их взмахов можно управлять беспилотником по оси крена. При полете на обычной скорости частота взмахов составляет 15 Герц, а максимально допустимая — 20 Герц. На носу и в хвосте орнитоптера расположены воздушные винты небольшого диаметра. В полете они генерируют дополнительную тягу, а также служат для управления по оси тангажа, отклоняя беспилотник вперед или назад. Ротор, установленный в хвосте, дополнительно имеет механизм управления вектором тяги — он может отклоняться с помощью сервопривода влево или вправо. Благодаря этому происходит управление орнитоптером по оси рыскания. В передней части аппарата установлен гусеничный привод, который используются для движения по вертикальным плоскостям. Ленты привода покрыты полидиметилсилоксаном, адгезивные свойства которого позволяют орнитоптеру удерживать сцепление с вертикальной поверхностью. При посадке на вертикальную поверхность орнитоптер сначала касается ее лентами привода, после чего изменяет уровни тяги хвостового и переднего роторов и переворачивается, прижав хвост к стене. Далее тяга роторов используется для создания прижимной силы. Так повышается сцепление и исключается возможное опрокидывание при движении. Взлет происходит в обратном порядке. Полный непрерывный переход воздух—стена—воздух происходит за 6,1 секунды. Прижимаясь к поверхности, гибрид может перемещаться по ней с помощью гусениц со скоростью до шести сантиметров в секунду. В экспериментах орнитоптер смог успешно сесть и прокатиться по стеклу, деревянной двери, мрамору, древесной коре, эластичной ткани и окрашенному листу металла. В воздухе на одной зарядке прототип может находиться около четырех минут и пролетать за это время около одного километра с максимальной скоростью 6,8 метров в секунду. https://www.youtube.com/watch?v=5st-wNxukTg В будущем разработчики планируют повысить сцепление гусеничного узла за счет добавки микрошипов в материал гусеничных лент. Также орнитоптеру добавят автономности — для этого его осностят сенсорами для самостоятельной навигации. Ранее другая команда инженеров, вдохновившись устройством крыльев жука-носорога, создала механическое крыло, которое может на короткое время складываться при ударе о препятствие, а затем вновь распрямляться за счет подвижного узла в верхней кромке. Миниатюрный орнитоптер с такими крыльями может продолжать стабильный полет, даже если его крылья ударяются об окружающие предметы.