哈佛大學研發(fā)可廣泛調諧且緊湊的太赫茲激光器即將問世

  哈佛大學的研究人員演示了一種可廣泛調諧且緊湊的太赫茲激光器，該激光器具有短期商業(yè)應用的可能性。

  盡管太赫茲輻射潛伏在微波和紅外線之間，但由于其獨特的物理特性，很難應用。在過去的幾十年里，研究人員一直無法找到跨越0.3到3太赫茲電磁頻譜范圍的頻率可調源。

  DEVCOM陸軍研究實驗室的Henry Everitt說：“隨著頻率的增加，（輻射）電子源往往會變得越來越弱，因為它們的材料特性限制了設備在接近太赫茲區(qū)域時的性能。所以，雖然微波區(qū)域非常成熟……當你超過100千兆赫茲（0.1太赫茲）時，功率就會瘋狂下降。從另一端看，隨著頻率的降低，輻射光源（例如紅外激光器）會變得更糟，這也是因為材料的特性。太赫茲恰好是這兩種技術都存在困難的地區(qū)?！?

  因此，Everitt補充說，利用太赫茲光譜需要的“不僅僅是電子或光學”。為了尋找這一光譜范圍的實用光源，Everitt和哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院（SEAS）的同事們展示了一種太赫茲激光器，這種激光器結構緊湊，可在室溫下工作，具有早期光源難以實現(xiàn)的廣泛可調特性。

  研究人員使用量子級聯(lián)激光器（quantum cascade laser，QCL）泵和甲基氟化物分子激光器。這種化合物與光場發(fā)生強烈反應，吸收紅外并發(fā)射太赫茲輻射。QCL也可以在比早期的二氧化碳激光器更緊湊的激光腔中工作。在概念驗證測試中，該團隊報告了120個介于0.25和1.3太赫茲之間的單獨頻率。

  實驗裝置的如示意圖。鍍金硅片用作分束器，將一小部分泵浦光反射到參考氣體電池中，而其余部分則進入太赫茲腔。

  Everitt對光泵太赫茲激光器的研究興趣跨越了近40年，早在20世紀80年代，他就致力于制造緊湊型分子激光器。他表示，“我們有大的CO2激光器，但它不是便攜式的?，F(xiàn)在我們用QCL取代了CO2激光器，部件小了很多，甚至可以把整個東西都放在鞋盒里?！?

  這種便攜性也改變了游戲規(guī)則，特別是考慮到太赫茲頻率因其眾多潛在應用而備受追捧。Everitt說：“我向你們保證，當太赫茲技術成熟時，人們會對利用它感興趣?！逼鋺冒烁邘捦ㄐ藕透叻直媛世走_。載波頻率越高，你可以在上面增加更多帶寬……使用高分辨率雷達……你可以獲得非常精確的厘米級分辨率，甚至更精細的分辨率也能夠實現(xiàn)。

  Everitt表示，遙感應用也有可能出現(xiàn)：“分子在太赫茲區(qū)域有非常獨特的特征，可以讓你區(qū)分物種、毒素、化學試劑、可能構成威脅的東西，或者只是監(jiān)測化工廠的情況?！? 在地球之外也有潛在的應用，比如射電天文學家?！拔艺J為天空是極限，”Everitt表示，“我們研究背后的目的是展示這一概念的普遍性，幾乎任何可以存在于氣相中并具有永久電偶極矩的分子都可以產生激光。”

  正如Everitt所說，要將這一概念證明轉化為一種用戶友好的技術或設備，而不是必需要哈佛大學的博士科學家來進行操作，那么，該行業(yè)的合作伙伴必須介入。我們接下來的步驟是將其設計成一個成套系統(tǒng)，只需輸入你想要的頻率，然后輸出你要求的輻射……系統(tǒng)將自動知道如何調整和優(yōu)化性能。

  回到實驗室范疇，仍然有一些事情需要解決。由于大氣對水蒸氣的吸收，太赫茲輻射的范圍受到限制。但Everitt認為這是一個功能，而不是一個bug。例如，串擾或干擾問題可能會受到限制。太赫茲實際上是非常有利的，因為大氣衰減阻止了輻射永遠持續(xù)下去。

  作者：PAYAL DHAR