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中，存在太赫兹辐射和“ T射线视觉”的希望。

太赫兹波的频率高于微波，而低于红外线和可见光。太赫兹波可以被大多数材料阻挡，太赫兹波可以像微波一样直接通过。如果将它们制成激光，太赫兹波可能会启用“ T射线视觉”，并具有穿透衣服，书皮和其他薄材料的能力。这种技术可以产生比微波更清晰的高分辨率图像，并且比X射线安全得多。

例如，我们在机场安全线和医学成像设施中看不到T射线机的原因是，产生太赫兹辐射需要非常大，笨重的装置或设备，它们只能以单个频率产生太赫兹辐射，这在一定程度上不是很有用。需要各种各样的频率才能穿透各种材料。

现在，麻省理工学院，哈佛大学和美国陆军的研究人员已经构建了一种紧凑的设备，其大小相当于鞋盒的大小，可以产生太赫兹激光，其频率可以在很宽的范围内进行调谐。该设备由现成的商业零件制造而成，旨在通过旋转一氧化二氮或笑气中的分子能量来产生太赫兹波。

麻省理工学院数学教授史蒂芬·约翰逊(Steven Johnson)表示，除了T射线视觉之外，太赫兹波还可以用作一种无线通信形式，例如以比雷达更高的带宽传输信息，并且可以跨科学家进行跨距离的传输。现在可以使用组的设备进行调音了。

“通过调整太赫兹频率，您可以选择波在被吸收之前在空气中传播的距离(从几米到几千米)，从而可以精确控制谁可以“听到”您的太赫兹通信或“看到”您的太赫兹雷达。”约翰逊说。“就像改变收音机的转盘一样，轻松调谐太赫兹源的能力对于在无线通信，雷达和光谱学领域开拓新的应用至关重要。”

约翰逊和他的同事在科学杂志上发表了他们的结果。共同作者包括麻省理工学院的博士后Fan Wang，以及哈佛大学的Paul Chevalier，Arman Armizhan，Marco Piccardo和Federico Capasso，以及美国陆军作战能力发展司令部航空和导弹中心的Henry Everitt。

QCL抽运的THz激光的艺术视图，显示了QCL光束(红色)和THz光束(蓝色)，以及腔体内旋转的N2O(笑气)分子。图片来源：哈佛SEAS的Arman Amirzhan

分子呼吸室

自1970年代以来，科学家一直在尝试使用分子气体激光器产生太赫兹波，这种装置是将大功率的红外激光器射入装有气体(通常为氟化甲基)的大管中，该分子的振动和旋转最终都会发生反应。旋转的分子可以从一个能级跃迁到下一个能级，其差作为一种剩余能量以太赫兹范围内的光子形式发射。随着更多的光子在空腔中累积，它们会产生太赫兹激光。

研究人员说，不可靠的理论模型阻碍了改进这些气体激光器的设计。在高气压下的小腔中，模型预测，超过一定压力，分子将太“蠕变”而无法旋转并发射太赫兹波。部分由于这个原因，太赫兹气体激光器通常使用米长的腔体和大型红外激光器。

然而，在1980年代，埃弗里特(Everitt)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产生太赫兹波，压力远高于模型所能达到的压力。这种差异从未得到充分的解释，太赫兹气体激光器的研究被其他方法所取代。

几年前，埃弗里特(Everitt)在约翰逊与麻省理工学院的士兵纳米技术研究所合作开展其他工作时向约翰逊提及了这一理论奥秘。Johnson和Wang与Everitt一起接受了挑战，并最终制定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即使从很小的高压腔中也可以发射太赫兹波。

约翰逊说，尽管气体分子可以响应红外泵而以多种频率和转速振动，但先前的理论没有考虑这些振动状态中的许多振动状态，而是假设少数振动是产生太赫兹波的最终原因。如果腔体太小，以前的理论表明，响应于入射红外激光而振动的分子会相互更频繁地碰撞，从而释放能量，而不是进一步积累以旋转并产生太赫兹。

取而代之的是，新模型使用一个新的计算技巧使一个大问题在便携式计算机上可以解决，从而在单个腔内跟踪了数百万个分子组中成千上万个相关的振动和旋转状态。然后分析了这些分子如何对入射的红外光做出反应，具体取决于它们在腔体内的位置和方向。

约翰逊说：“我们发现，当您将人们抛出的所有其他振动状态都包括在内时，它们会为您提供缓冲。” “在更简单的模型中，分子正在旋转，但是当它们撞向其他分子时，它们将失去一切。一旦包含所有其他状态，这种情况就不再发生了。这些碰撞会将能量转移到其他振动状态，并且您将拥有更多的呼吸空间，以保持旋转并不断产生太赫兹波。”

笑，拨了

一旦团队发现他们的新模型能够准确预测埃弗里特几十年前的观测结果，他们便与哈佛大学Capasso小组合作，通过将模型与新气体和新型红外激光相结合，设计出新型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或QCL，这是一种新型的紧凑且可调谐的激光器。

约翰逊说：“您可以转动拨盘，它改变输入激光的频率，希望我们可以用它来改变太赫兹频率。”

研究人员与QCL开发的先驱Capasso合作，后者提供的激光产生的功率范围据其理论预测可与笔大小的腔体(传统腔体大小的约1,000倍)一起使用)。然后研究人员寻找一种可以旋转的气体。

该小组搜索了各种气体库，以识别已知会响应红外光而以某种方式旋转，最终降落在一氧化二氮或笑气中的那些气体，作为他们实验的理想且容易获得的候选气体。

他们订购了实验室级的一氧化二氮，然后将其泵入笔型腔中。当他们从QCL发出红外光到腔中时，他们发现它们可以产生太赫兹激光。当他们调谐QCL时，太赫兹波的频率也在很大范围内变化。

Wang说：“这些演示证实了太赫兹分子激光源的普遍概念，当通过连续可调的QCL泵浦时，它可以在整个旋转状态上进行广泛的调谐。”

自从这些最初的实验以来，研究人员已经扩展了他们的数学模型，使其包括多种其他气体分子，例如一氧化碳和氨，从而为科学家提供了具有不同频率和调谐范围的不同太赫兹生成选项的菜单，以及与QCL匹配每种气体。该小组的理论工具还使科学家能够根据不同的应用量身定制型腔设计。现在，随着商业发展的到来，他们正在朝着更聚焦的光束和更高的功率前进。

约翰逊说，科学家们可以参考该小组的数学模型，使用其他气体和实验参数来设计新型，紧凑且可调的太赫兹激光器。

约翰逊说：“这些气体激光器长期以来一直被视为旧技术，人们认为它们是巨大的，低功率的，不可调谐的东西，因此他们将目光投向了其他太赫兹光源。” “现在我们说的是它们体积小，可调且效率更高。您可以将其安装在背包中，也可以安装在车辆中以进行无线通信或高分辨率成像。因为您不想在汽车中使用回旋加速器”。