研究人员用笑气产生太赫兹激光

在微波和可见光之间的电磁中间地带存在着太赫兹辐射，以及“t射线视觉”的前景。

太赫兹波的频率高于微波，低于红外线和可见光。在光学光线被大多数材料阻挡的地方，太赫兹波可以直接通过，类似于微波。如果它们被制成激光，太赫兹波可能会实现“t射线视觉”，能够看穿衣服、书皮和其他薄材料。这种技术可以产生比微波更清晰、分辨率更高的图像，而且比x射线安全得多。

我们没有看到t射线机产生太赫兹辐射的原因是，产生太赫兹辐射需要非常大、笨重的设置或设备，许多设备在超冷温度下工作，产生单一频率的太赫兹辐射——这不是很有用，因为穿透各种材料需要很宽的频率范围。

现在，来自麻省理工学院、哈佛大学和美国陆军的研究人员已经制造了一种鞋盒大小的紧凑设备，可以在室温下工作，产生太赫兹激光，其频率可以在很宽的范围内调谐。该设备由现成的商用部件制成，旨在通过旋转氧化亚氮分子的能量来产生太赫兹波，或更常见的笑气。

麻省理工学院(MIT)数学教授史蒂文·约翰逊(Steven Johnson)说，除了t射线视觉，太赫兹波还可以用作一种无线通信形式，例如，它可以以比雷达更高的带宽传输信息，并且可以跨越距离，科学家们现在可以使用该小组的设备进行调整。

约翰逊说:“通过调整太赫兹频率，你可以选择波在被吸收之前在空气中传播的距离，从米到公里，这就可以精确控制谁能‘听到’你的太赫兹通信或‘看到’你的太赫兹雷达。”“就像改变收音机的刻度盘一样，轻松调谐太赫兹源的能力对于开辟无线通信、雷达和光谱学的新应用至关重要。”

分子呼吸室

自20世纪70年代以来，科学家们一直在试验使用分子气体激光器产生太赫兹波，这种装置是将高能红外激光器射入充满气体(通常是甲基氟)的大管中，气体分子通过振动并最终旋转进行反应。旋转的分子可以从一个能级跳到下一个能级，其差值以太赫兹范围内光子的形式以一种剩余能量的形式释放出来。随着越来越多的光子在腔内积聚，它们产生了太赫兹激光。

研究人员说，改进这些气体激光器的设计一直受到不可靠的理论模型的阻碍。该模型预测，在高气压下的小腔中，超过一定压力，分子就会过于“拥挤”，无法旋转和发射太赫兹波。部分出于这个原因，太赫兹气体激光器通常使用米长的腔和大型红外激光器。

20世纪80年代，美国陆军作战能力发展司令部航空和导弹中心的亨利·埃弗里特发现，他能够在实验室中使用比传统设备小得多的气体激光器产生太赫兹波，其压力远远高于模型所称的可能压力。这种差异从未得到充分解释，太赫兹气体激光器的研究也被其他方法所取代。

几年前，当埃弗里特和约翰逊在麻省理工学院士兵纳米技术研究所合作进行其他工作时，他向约翰逊提到了这个理论之谜。约翰逊和麻省理工学院博士后王凡(Fan Wang)与埃弗里特一起接受了挑战，最终提出了一种新的数学理论来描述分子气体激光腔中气体的行为。该理论还成功地解释了太赫兹波是如何从非常小的高压腔中发射出来的。

Johnson说，虽然气体分子可以在红外泵的作用下以多种频率和旋转速率振动，但之前的理论忽略了许多这种振动状态，并假设少数振动是产生太赫兹波的最终因素。如果空腔太小，以前的理论认为，响应入射红外激光而振动的分子会更频繁地相互碰撞，释放能量，而不是进一步积累能量以旋转并产生太赫兹。

相反，新模型追踪了单个腔内数百万分子群中数千个相关的振动和旋转状态，使用新的计算技巧使如此大的问题可以在笔记本电脑上处理。然后，它分析了这些分子对入射红外光的反应，这取决于它们在腔内的位置和方向。

约翰逊说:“我们发现，当你把人们抛出的所有其他振动态都包括在内时，它们就会给你一个缓冲。”“在更简单的模型中，分子是旋转的，但当它们撞上其他分子时，它们就失去了一切。一旦你包括了所有其他的状态，这就不再发生了。这些碰撞可以将能量转移到其他振动状态，并给你更多的呼吸空间来保持旋转和保持产生太赫兹波。”

大笑，接通电话

一旦研究小组发现他们的新模型准确地预测了埃弗里特几十年前的观测结果，他们就与哈佛大学的费德里科·卡帕索(Federico Capasso)团队合作，将模型与新型气体和新型红外激光器结合起来，设计了一种新型的紧凑型太赫兹发生器。

对于红外光源，研究人员使用了量子级联激光器(QCL)，这是一种紧凑且可调谐的最新激光器。

约翰逊说:“你可以转动一个表盘，它就会改变输入激光的频率，我们希望可以用它来改变太赫兹的频率。”

研究人员与量子级联激光器(QCLs)发展的先驱卡帕索(Capasso)合作，卡帕索提供了一种激光，其产生的功率范围根据他们的理论预测，可以在一支钢笔大小的腔内工作(约为传统腔的千分之一)。然后，研究人员寻找一种向上旋转的气体。

研究小组在气体库中搜索，以确定那些已知会以某种方式响应红外光的气体，最终将笑气(笑气)作为他们实验的理想和可行的候选气体。

他们订购了实验室级别的一氧化二氮，并将其泵入一个笔大小的腔中。当他们从QCL向腔体发送红外光时，他们发现可以产生太赫兹激光。当他们调整QCL时，太赫兹波的频率也在很大范围内发生了变化。

王说:“这些演示证实了太赫兹分子激光源的普遍概念，当由一个连续可调谐的QCL泵浦时，它可以在整个旋转状态上广泛调谐。”

从这些最初的实验开始，研究人员扩展了他们的数学模型，将一氧化碳和氨等各种其他气体分子包括在内，为科学家提供了具有不同频率和调谐范围的不同太赫兹产生选项的菜单，并与每种气体匹配的QCL相匹配。该小组的理论工具还使科学家能够根据不同的应用定制腔体设计。他们现在正朝着更聚焦的光束和更高功率的方向努力，商业开发即将到来。

约翰逊说，科学家们可以参考该小组的数学模型，利用其他气体和实验参数设计新的、紧凑的、可调谐的太赫兹激光器。

约翰逊说:“在很长一段时间里，这些气体激光器被视为旧技术，人们认为这些是巨大的、低功率的、不可调谐的东西，所以他们寻找其他太赫兹源。”“现在我们说，它们可以很小，可调，而且效率更高。你可以把它装在你的背包里，或者你的车里，用于无线通信或高分辨率成像。因为你不想让回旋加速器出现在你的车里。”

麻省理工学院

www.mit.edu

-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程传感器和视觉故事．

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。