研究人員用笑氣產(chǎn)生太赫茲激光

在微波和可見光之間的電磁中間地帶中，存在太赫茲輻射和“ T射線視覺”的希望。

太赫茲波的頻率高于微波，而低于紅外線和可見光。太赫茲波可以被大多數(shù)材料阻擋，太赫茲波可以像微波一樣直接通過。如果將它們制成激光，太赫茲波可能會啟用“ T射線視覺”，并具有穿透衣服，書皮和其他薄材料的能力。這種技術(shù)可以產(chǎn)生比微波更清晰的高分辨率圖像，并且比X射線安全得多。

例如，我們在機(jī)場安全線和醫(yī)學(xué)成像設(shè)施中看不到T射線機(jī)的原因是，產(chǎn)生太赫茲輻射需要非常大，笨重的裝置或設(shè)備，它們只能以單個頻率產(chǎn)生太赫茲輻射，這在一定程度上不是很有用。需要各種各樣的頻率才能穿透各種材料。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院，哈佛大學(xué)和美國陸軍的研究人員已經(jīng)構(gòu)建了一種緊湊的設(shè)備，其大小相當(dāng)于鞋盒的大小，可以產(chǎn)生太赫茲激光，其頻率可以在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧。該設(shè)備由現(xiàn)成的商業(yè)零件制造而成，旨在通過旋轉(zhuǎn)一氧化二氮或笑氣中的分子能量來產(chǎn)生太赫茲波。

麻省理工學(xué)院數(shù)學(xué)教授史蒂芬·約翰遜(Steven Johnson)表示，除了T射線視覺之外，太赫茲波還可以用作一種無線通信形式，例如以比雷達(dá)更高的帶寬傳輸信息，并且可以跨科學(xué)家進(jìn)行跨距離的傳輸?，F(xiàn)在可以使用組的設(shè)備進(jìn)行調(diào)音了。

“通過調(diào)整太赫茲頻率，您可以選擇波在被吸收之前在空氣中傳播的距離(從幾米到幾千米)，從而可以精確控制誰可以“聽到”您的太赫茲通信或“看到”您的太赫茲雷達(dá)。”約翰遜說。“就像改變收音機(jī)的轉(zhuǎn)盤一樣，輕松調(diào)諧太赫茲源的能力對于在無線通信，雷達(dá)和光譜學(xué)領(lǐng)域開拓新的應(yīng)用至關(guān)重要。”

約翰遜和他的同事在科學(xué)雜志上發(fā)表了他們的結(jié)果。共同作者包括麻省理工學(xué)院的博士后Fan Wang，以及哈佛大學(xué)的Paul Chevalier，Arman Armizhan，Marco Piccardo和Federico Capasso，以及美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部航空和導(dǎo)彈中心的Henry Everitt。

QCL抽運(yùn)的THz激光的藝術(shù)視圖，顯示了QCL光束(紅色)和THz光束(藍(lán)色)，以及腔體內(nèi)旋轉(zhuǎn)的N2O(笑氣)分子。圖片來源：哈佛SEAS的Arman Amirzhan

分子呼吸室

自1970年代以來，科學(xué)家一直在嘗試使用分子氣體激光器產(chǎn)生太赫茲波，這種裝置是將大功率的紅外激光器射入裝有氣體(通常為氟化甲基)的大管中，該分子的振動和旋轉(zhuǎn)最終都會發(fā)生反應(yīng)。旋轉(zhuǎn)的分子可以從一個能級躍遷到下一個能級，其差作為一種剩余能量以太赫茲范圍內(nèi)的光子形式發(fā)射。隨著更多的光子在空腔中累積，它們會產(chǎn)生太赫茲激光。

研究人員說，不可靠的理論模型阻礙了改進(jìn)這些氣體激光器的設(shè)計(jì)。在高氣壓下的小腔中，模型預(yù)測，超過一定壓力，分子將太“蠕變”而無法旋轉(zhuǎn)并發(fā)射太赫茲波。部分由于這個原因，太赫茲氣體激光器通常使用米長的腔體和大型紅外激光器。

然而，在1980年代，埃弗里特(Everitt)發(fā)現(xiàn)他能夠在實(shí)驗(yàn)室中使用比傳統(tǒng)設(shè)備小得多的氣體激光產(chǎn)生太赫茲波，壓力遠(yuǎn)高于模型所能達(dá)到的壓力。這種差異從未得到充分的解釋，太赫茲氣體激光器的研究被其他方法所取代。

幾年前，埃弗里特(Everitt)在約翰遜與麻省理工學(xué)院的士兵納米技術(shù)研究所合作開展其他工作時向約翰遜提及了這一理論奧秘。Johnson和Wang與Everitt一起接受了挑戰(zhàn)，并最終制定了一種新的數(shù)學(xué)理論來描述分子氣體激光腔中氣體的行為。該理論還成功地解釋了即使從很小的高壓腔中也可以發(fā)射太赫茲波。

約翰遜說，盡管氣體分子可以響應(yīng)紅外泵而以多種頻率和轉(zhuǎn)速振動，但先前的理論沒有考慮這些振動狀態(tài)中的許多振動狀態(tài)，而是假設(shè)少數(shù)振動是產(chǎn)生太赫茲波的最終原因。如果腔體太小，以前的理論表明，響應(yīng)于入射紅外激光而振動的分子會相互更頻繁地碰撞，從而釋放能量，而不是進(jìn)一步積累以旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生太赫茲。

取而代之的是，新模型使用一個新的計(jì)算技巧使一個大問題在便攜式計(jì)算機(jī)上可以解決，從而在單個腔內(nèi)跟蹤了數(shù)百萬個分子組中成千上萬個相關(guān)的振動和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。然后分析了這些分子如何對入射的紅外光做出反應(yīng)，具體取決于它們在腔體內(nèi)的位置和方向。

約翰遜說：“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)您將人們拋出的所有其他振動狀態(tài)都包括在內(nèi)時，它們會為您提供緩沖。” “在更簡單的模型中，分子正在旋轉(zhuǎn)，但是當(dāng)它們撞向其他分子時，它們將失去一切。一旦包含所有其他狀態(tài)，這種情況就不再發(fā)生了。這些碰撞會將能量轉(zhuǎn)移到其他振動狀態(tài)，并且您將擁有更多的呼吸空間，以保持旋轉(zhuǎn)并不斷產(chǎn)生太赫茲波。”

笑，撥了

一旦團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們的新模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測埃弗里特幾十年前的觀測結(jié)果，他們便與哈佛大學(xué)Capasso小組合作，通過將模型與新氣體和新型紅外激光相結(jié)合，設(shè)計(jì)出新型緊湊型太赫茲發(fā)生器。

對于紅外光源，研究人員使用了量子級聯(lián)激光器或QCL，這是一種新型的緊湊且可調(diào)諧的激光器。

約翰遜說：“您可以轉(zhuǎn)動撥盤，它改變輸入激光的頻率，希望我們可以用它來改變太赫茲頻率。”

研究人員與QCL開發(fā)的先驅(qū)Capasso合作，后者提供的激光產(chǎn)生的功率范圍據(jù)其理論預(yù)測可與筆大小的腔體(傳統(tǒng)腔體大小的約1,000倍)一起使用)。然后研究人員尋找一種可以旋轉(zhuǎn)的氣體。

該小組搜索了各種氣體庫，以識別已知會響應(yīng)紅外光而以某種方式旋轉(zhuǎn)，最終降落在一氧化二氮或笑氣中的那些氣體，作為他們實(shí)驗(yàn)的理想且容易獲得的候選氣體。

他們訂購了實(shí)驗(yàn)室級的一氧化二氮，然后將其泵入筆型腔中。當(dāng)他們從QCL發(fā)出紅外光到腔中時，他們發(fā)現(xiàn)它們可以產(chǎn)生太赫茲激光。當(dāng)他們調(diào)諧QCL時，太赫茲波的頻率也在很大范圍內(nèi)變化。

Wang說：“這些演示證實(shí)了太赫茲分子激光源的普遍概念，當(dāng)通過連續(xù)可調(diào)的QCL泵浦時，它可以在整個旋轉(zhuǎn)狀態(tài)上進(jìn)行廣泛的調(diào)諧。”

自從這些最初的實(shí)驗(yàn)以來，研究人員已經(jīng)擴(kuò)展了他們的數(shù)學(xué)模型，使其包括多種其他氣體分子，例如一氧化碳和氨，從而為科學(xué)家提供了具有不同頻率和調(diào)諧范圍的不同太赫茲生成選項(xiàng)的菜單，以及與QCL匹配每種氣體。該小組的理論工具還使科學(xué)家能夠根據(jù)不同的應(yīng)用量身定制型腔設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，隨著商業(yè)發(fā)展的到來，他們正在朝著更聚焦的光束和更高的功率前進(jìn)。

約翰遜說，科學(xué)家們可以參考該小組的數(shù)學(xué)模型，使用其他氣體和實(shí)驗(yàn)參數(shù)來設(shè)計(jì)新型，緊湊且可調(diào)的太赫茲激光器。

約翰遜說：“這些氣體激光器長期以來一直被視為舊技術(shù)，人們認(rèn)為它們是巨大的，低功率的，不可調(diào)諧的東西，因此他們將目光投向了其他太赫茲光源。” “現(xiàn)在我們說的是它們體積小，可調(diào)且效率更高。您可以將其安裝在背包中，也可以安裝在車輛中以進(jìn)行無線通信或高分辨率成像。因?yàn)槟幌朐谄囍惺褂没匦铀倨?rdquo;。