คลื่นเทระเฮิรตซ์ (Terahertz waves)

โดยปกติคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เราเคยรู้จักกันนั้น จะแบ่งตามความถี่หรือความยาวคลื่น ซึ่งสามารถแสดงได้ดังภาพ

รูปที่ 1 แสดงสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่ต่าง ๆ

โดยในแต่ละช่วงความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นที่รู้จักและถูกนำไปใช้ประโยชน์มากมาย ดังนี้

- คลื่นวิทยุ (Radio wave) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่น้อยที่สุด หรือมีความยาวคลื่นมากที่สุด ถูกนำไปใช้ในการสื่อสาร โทรคมนาคม เนื่องจากคลื่นวิทยุสามารถเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศได้ดี

- ไมโครเวฟ (Microwave) มีความถี่อยู่ในช่วง 10⁸-10¹² Hz หรือมีความยาวคลื่น 1 mm – 10 cm ใช้สำหรับโทรคมนาคมระยะไกล เนื่องจากสามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศไปนอกโลก โดยจะมีสถานีส่งสัญญาณไปยังดาวเทียม แล้วดาวเทียมจะส่งสัญญาณกลับไปยังสถานีรับสัญญาณอีกสถานีหนึ่ง ซึ่งอยู่ไกลออกไป และใช้เป็นสัญญาณเรดาห์ เนื่องจากไมโครเวฟสามารถสะท้อนโลหะได้ดี นอกจากนี้ยังนำมาสร้างพลังงานความร้อนในเตาไมโครเวฟได้อีกด้วย โดยทำให้โมเลกุลสั่น

- อินฟราเรด (Infrared) รังสีอินฟราเรด มีความถี่อยู่ในช่วง 10¹¹-10¹⁴ Hz หรือมีความยาวคลื่นประมาณ 10^-3-10^-6 m มีความถี่คาบเกี่ยวกับไมโครเวฟ ใช้ในการจับภาพในที่มืด หรือใช้ถ่ายรูปในช่วงที่มีเมฆ หมอก นอกจากนี้ยังถูกนำมาใช้กับรีโมทควบคุมโทรทัศน์อีกด้วย

- แสงที่มองเห็นได้ (Visible light) มีความถี่ประมาณ 10¹⁴ Hz หรือมีความยาวคลื่นประมาณ 400 - 700 nm แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประสาทตาของมนุษย์สามารถรับรู้ได้ แสงที่มองเห็นแยกเป็นสเปกตรัมได้เป็น แสงสีม่วง น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด และแสงสีแดง

- รังสีอัลตร้าไวโอเลต (Ultraviolet) มีความถี่อยู่ในช่วง 10¹⁵-10¹⁸ Hz ส่วนใหญ่เกิดจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ช่วยในการสร้างวิตามินดีให้แก่ผิวหนัง แต่ถ้าได้รับ UV มากเกินไป จะก่อให้เกิดอันตรายกับผิวหนังได้เช่นกัน และสามารถนำไปใช้ในการฆ่าเชื้อโรคต่าง ๆ ได้ หรือทำความสะอาดเครื่องมือแพทย์ได้

- รังสีเอกซ์ (X-rays) มีความถี่อยู่ในช่วง 10¹⁸-10²² Hz หรือมีความยาวคลื่นประมาณ 0.01 – 1 nm เนื่องจากเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูง จึงสามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางหนา ๆ ได้ ส่วนใหญ่ใช้ในทางการแพทย์ เช่น การตรวจดูความผิดปกติของอวัยวะภายในร่างกาย หรือใช้ในทางอุตสาหกรรม เช่น การตรวจรอยร้าวภายในชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่ เป็นต้น แต่ถ้าร่างกายได้รับรังสีเอกซ์มากเกินไป จะก่อให้เกิดอันตรายกับร่างกายได้

- รังสีแกมมา (Gamma-rays) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงที่สุด และเป็นอันตรายมากที่สุด เนื่องจากโฟตอนของรังสีแกมมามีพลังงานมากที่สุด จึงสามารถทะลุทะลวงได้มากที่สุด แต่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ เช่น รังสีแกมมาที่ได้จากการสลายของโคบอลต์-60 สามารถนำมารักษาโรคมะเร็งได้ หรือนำมาตรวจสอบรอยรั่วภายในชิ้นส่วนโลหะ ใช้ในการศึกษาการดูดซึมแร่ธาตุของพืช และใช้ในการเปลี่ยนแปลงพันธุ์พืชได้ เป็นต้น

ต่อจากนี้เราจะมากล่าวถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอีกช่วงคลื่นหนึ่งซึ่งกำลังได้รับความสนใจจากนักวิจัย นั่นก็คือ คลื่นเทระเฮิรตซ์ (Terahertz wave)

คลื่นเทระเฮิรตซ์ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ในช่วง 10¹² เฮิรตซ์ เขียนเป็นสัญลักษณ์ได้เป็น THz (เรียกว่า เทระเฮิรตซ์ เนื่องจาก เทระ (Tera) มีค่าเป็น 10¹²) โดยมีความถี่ประมาณ 0.3 -3.0 THz ซึ่งตรงกับความยาวคลื่นประมาณ 1.0 – 0.1 mm หรือเรียกตามความยาวคลื่นได้อีกอย่าง Submillimeter wave คลื่นเทระเฮิรตซ์เป็นช่วงคลื่นที่อยู่ตรงกลางระหว่างคลื่นไมโครเวฟและอินฟราเรด โดยช่วงความถี่นี้ในทางอิเล็กทรอนิกส์ (Electronics) ถือว่าเป็นความถี่ที่สูงมาก แต่ในทางทัศนศาสตร์ (Photonics) ถือว่าเป็นความถี่ที่ต่ำมาก

รูปที่ 2 แสดงสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

และที่ผ่านมาช่วงความถี่นี้ไม่ค่อยได้รับความสนใจมากนัก แต่ปัจจุบันเทคโนโลยีคลื่นเทระเฮิรตซ์ เริ่มเป็นที่ต้องการมากขึ้นในวงการต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นการหาความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ วงการดาราศาสตร์ หรือด้านชีวโมเลกุล

เนื่องจากช่วงคลื่นเทระเฮิรตซ์มีสมบัติเป็นทั้งคลื่นวิทยุและเป็นแสง ดังนั้นการควบคุมช่วงคลื่นนี้จึงทำได้โดยใช้ท่อนำแสง (waveguide) เสาอากาศ กระจก และเลนส์

ก่อนที่จะไปดูการประโยชน์หรือการนำคลื่นเทระเฮิรตซ์ไปประยุกต์ใช้งานในด้านต่าง ๆ เราจะมาดูการตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์กันก่อน

การตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์ (THz sensing)

นับว่าเป็นเรื่องยากที่จะสามารถตรวจวัดคลื่นนี้ได้ เนื่องจากคลื่นนี้มีความถี่สูงเกินไปที่จะใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการตรวจสอบ แต่คลื่นนี้ก็มีพลังงานโฟตอนต่ำกว่าแสงที่มองเห็นได้ ดังนั้นการตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์ จึงต้องคิดอุปกรณ์ใหม่ที่สามารถตรวจวัดช่วงคลื่นนี้ได้ แนวทางการตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์ แบ่งเป็น 3 ประเภท คือ

- การตรวจวัดแบบความร้อน (Bolometric (thermal) detection) เมื่อคลื่นเทระเฮิตรซ์ผ่านอุปกรณ์ตรวจจับคลื่นในช่วง THz จะมีการดูดกลื่นพลังงานของคลื่นไว้ ทำให้อุปกรณ์มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น

- การตรวจวัดแบบคลื่น (Wave detection) การตรวจวัดวิธีนี้ จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ตรวจวัด (detector) ที่มีความเร็วสูงในการตรวจวัดด้วยเวลาคงตัวในหน่วยนาโนวินาที (ns) และต้องวัดที่อุณหภูมิห้อง

- การตรวจวัดแบบควอนตัม (Quantum detection) หรือการตรวจวัดอนุภาค โดยจะตรวจจับโฟตอนของคลื่นเทระเฮิรตซ์นั่นเอง

เมื่อเราทราบวิธีตรวจวัดคลื่นเทระเฮิรตซ์กันแล้ว ต่อมาเราจะมาดูเทคโนโลยีที่ใช้คลื่นนี้กัน

เทคโนโลยีทางภาพ (THz imaging)

เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีสมบัติทวิภาคของคลื่น คือสามารถเป็นได้ทั้งอนุภาคและคลื่น ซึ่งอนุภาคของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เรียกว่า โฟตอน โดยพลังงานโฟตอนของคลื่นเทระเฮิรตซ์อยู่ในช่วง 1 – 100 meV(1 eV = 1.6 x 10^-19 J) โดยช่วงพลังงานนี้สามารถใช้ได้กับโมเลกุลและวัสดุหลายประเภท สมบัตินี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับเทคโนโลยีทางภาพ (เช่นเดียวกับฟิล์ม X - ray) การฉายคลื่นนี้ผ่านไปยังวัตถุ แล้วจับภาพของการกระจายของคลื่นแสง เปรียบเทียบกับการถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์ ปรากฏว่าคลื่นมีอันตรายน้อยกว่า และไม่ทำให้เกิดความเสียหายต่อวัตถุหรือโมเลกุลมากนัก เนื่องจากพลังงานโฟตอนของคลื่นเทระเฮิรตซ์ น้อยกว่าพลังงานโฟตอนของรังสีเอกซ์ ประโยชน์ในส่วนนี้ของคลื่นเทระเฮิรตซ์สามารถนำไปใช้ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ การตรวจสอบความปลอดภัย การจับภาพทางดาราศาสตร์ และการวิเคราะห์วัสดุหรือโมเลกุลชีวภาพต่าง ๆ โดยไม่ทำลายโมเลกุลเหล่านั้น

อย่างไรก็ตามการใช้คลื่นเทระเฮิรตซ์ในเทคโนโลยีทางภาพก็มีปัญหาที่ยังต้องพัฒนาและปรับปรุงต่อไป นั่นก็คือความละเอียดของภาพที่ได้ยังต่ำ เนื่องจากความละเอียดของการจับภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกจำกัดด้วยความยาวคลื่นในการเลี้ยวเบนของคลื่น (ความยาวคลื่นของคลื่นเทระเฮิรตซ์สั้นมากเมื่อเทียบกับ Visible light และ Ultra violet) ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงต้องพัฒนาการจับภาพให้มีความละเอียดสูง โดยเทคนิคที่ใช้พัฒนาการจับภาพทางด้านนี้ ได้แก่ การฝังตัวของเลนส์ในของแข็ง (Solid immersion THz lens) กล้องเทระเฮิรตซ์ (THz camera) และการจับภาพเทระเฮิรตซ์แบบสนามใกล้ (Near-field THz imaging)

เทระเฮิรตซ์สเปกโทรสโกปี (THz spectroscopy)

เนื่องจากพลังงานโฟตอนและคาบของคลื่นเทระเฮิรตซ์ความถี่ 1 THz มีค่าเป็น 4 meV และ 1 ps ตามลำดับ ซึ่งสมบัติของวัสดุที่สำคัญหลาย ๆ อย่าง ก็อยู่ในช่วงพลังงานและคาบนี้เช่นกัน เช่น ช่องว่างพลังงานของตัวนำยิ่งยวด (energy gap of superconductor) ระดับพลังงานของสารเจือปนในสารกึ่งตัวนำ (impurity level of semiconductor) พลังงานโฟนอน (phonon energy) ระดับระยะห่างของ Landau (Landau level separation) และระยะห่างของระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่ถูกจำกัดในสารกึ่งตัวนำมิติน้อย

นอกจากนี้ การวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้คลื่นเทระเฮิรตซ์ ยังสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านอื่น ๆ อีกด้วย เช่น การวิเคราะห์ความถี่จำเพาะของโพลิเมอร์ และโมเลกุลชีวภาพ รวมถึงการแผ่รังสีคลื่นเทระเฮิรตซ์จากเคหวัตถุ ซึ่งจะนำไปสู่ความเข้าใจในเอกภพ ฉะนั้น เทระเฮิรตซ์สเปกโทรสโกปี จึงได้ถูกประยุกต์ในหลายสาขา ได้แก่ ฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา และดาราศาสตร์

เรียบเรียงโดย

นราภรณ์ ตั้งหทัยทิพย์

• [1] Christopher Crockett. What is the electromagnetic spectrum? สืบค้นจาก http://earthsky.org/space/what-is-the-electromagnetic-spectrum. 27 มิถุนายน 2560
• [2] Yukio Kawano. Terahertz waves: a tool for condensed matter, the life sciences and astronomy. Contemporary Physics, 2013 Vol. 54, No. 3, 143 – 165
• [3] S Withington (2004). Terahertz astronomical telescopes and instrumentation. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 395–402
• [4] J F Federici1 et al (2005).THz imaging and sensing for security applications—explosives, weapons and drugs. Semicond. Sci. Technol. 20 (2005) S266–S280
• [5] Terahertz Radiation. สืบค้นจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Terahertz_radiation. 27 มิถุนายน 2560